阻燃隔熱涂層在鋰離子動力電池PACK中的應用研究

張慶波

摘 要：電動汽車所使用的電池以鋰電池為主，一般由多個單體電池以串聯或者并聯的方式組成一個電池組，滿足電動汽車的需求。受鋰電池特性的影響，其在放電的過程中，會產生較大的熱量，如果不能及時進行散熱操作，電池的溫度就會迅速升高，影響電池的適應年限，甚至發生燃燒、爆炸等危險。本文對鋰離子動力電池PACK進行闡述，分析鋰離子電池燃燒機理，并且探究了阻燃隔熱涂層在鋰離子動力電池PACK中應用。

關鍵詞：阻燃隔熱涂層;鋰離子動力電池;電池PACK

近幾年，電動汽車在我國市場中得到了迅猛的發展，由于鋰電池的性價比加高，相關技術比較成熟，因此電動汽車的蓄電池以鋰電池為主，路面上，電動汽車的數量逐漸增多，隨著鋰電池使用的增加，部分問題也逐漸突顯出來。部分電動汽車出現鋰電池燃燒的問題，危險性較高，這主要是由于鋰電池過熱而導致的問題，為了提高電動汽車的安全性，在鋰離子動力電池PACK中就需要添加阻燃隔熱涂層，以此實現對電池使用風險的控制。

1 鋰離子動力電池PACK概述

鋰離子電池是基于先進技術生產的電池，電池中，鋰離子是主要的成分。鋰離子電池由電池正極、電池負極、電解質以及隔膜共同組成，其中，電池的正極與負極能夠對電池的性能產生影響，而電解質與電池隔膜能夠對電池的安全性產生影響。要想使鋰電池正常運行，那么電池的每個組件缺一不可。鋰電池的結構如下圖1所示。

鋰電池的工作原理比較簡單，主要是通過鋰離子在正極與負極之間不斷嵌入與嵌出，實現充電與放電，使電能與化學能之間相互轉換。在市面中，常見的鋰電池有兩種，分別是液態鋰離子電池與聚合物鋰離子電池，兩種鋰電池的結構對比，如下表1所示。

兩者相比較而言，聚合物鋰離子電池安全性會更高，其電解質為膠體形態，不容易發生泄漏，在工藝與技術方面，裝配也比較容易，燃燒、爆炸等問題發生的概率也比較低。本文針對電動汽車中的鋰電池展開研究，在電動汽車中，常見的鋰電池主要有磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、鈷酸鋰電池以及錳酸鋰電池。國內外多家汽車企業對鋰電池進行研究與實驗，比如豐田公司實驗室研究表明，當前市場中液體鋰電池為主流電池，但是受鋰電池特性以及性價比等方面的影響，在未來發展的過程中，固態鋰電池會逐漸成為電動汽車應用的主流電池。

2 鋰離子動力電池燃燒機理

在電動汽車中，鋰離子動力電池發展燃燒、爆炸問題主要是由熱失控、熱擴散以及電解質泄露三個原因導致的，具體燃燒機理如下：

2.1 熱失控

熱失控是鋰電池燃燒比較常見的原因之一，熱失控是指電池中液態的鋰離子電池其外部溫度迅速升高，電池內部發生短路問題，電池組進水或者正負極發熱等等，在諸多原因作用下導致電池組的溫度升高，并且無法將熱量散發出去，電池溫度越來越高，在高溫的作用下，電池組就會出現熱失控現象。電池組是由多個單體電池組成，引發單個電池出現熱失控的因素比較復雜，一般以電流過大或者溫度過高的誘因為主[1]。在鋰電池發生熱失控問題時，當溫度達到90℃，處于負極的膜就會開始溶解，溫度就會持續升高，當溫度達到230℃時，鋰電池中的電解質就會被蒸發，從而出現燃燒等安全事故。

2.2 熱擴散

熱失控一般是指電池組中單體電池發生的問題，而熱擴散是指，單體電池出現熱失控之后，其向其他電池進行擴散，電池組以及周圍區域出現熱量增加、溫度上升的問題，熱擴散會引發諸多連鎖反應，當發生熱擴散現象時，電池的表面溫度能夠達到將近1 000℃。這樣的高溫就會引發燃燒，甚至會燃燒到汽車周圍的物體，危險性較高。電池內部發生燃

燒需要具備三個條件，即燃燒物、火源以及氧氣[2]。為了對這類事故進行控制，為車內人員提供逃生的時間，汽車廠商在汽車生產的時，需要使用具有阻燃特性的汽車材料。

2.3 電解液泄露

電動汽車在使用的過程中，可能會出現電解質泄露的問題，電解質出現泄露，在早期發熱現象并不明顯，因此不易被察覺。電解質屬于腐蝕性液體，具有易揮發、有毒等特性，當其出現泄露之后，對空氣等會造成嚴重的污染，與其解除的人也會出現頭痛、惡心等中毒現象。

3 阻燃隔熱涂層在鋰離子動力電池PACK中應用

3.1 電池包設計

為了提高鋰電池的安全性，還需要從電池生產商角度出發，從根本提高電池的安全性。在對電池包進行設計的過程中，應該充分考慮電池包的安全性。電池包安全技術，能夠在電池發生熱失控、熱擴散以及電解質泄露時最大程度保障安全性。電池包結構設計包含電池內部結構、阻燃隔熱涂層等設計。

首先，在電池包內部設計方面，應該對電氣的布局進行設計，避免插件過多或者走線不合理等問題，使電池內部結構能夠更加合理。還需要對電池中電氣間隙進行優化處理，保障當汽車發生碰撞時，電池由足夠的安全空間。為了降低電池短路的風險，應該采取分布式電源裝置方式[3]。

其次，使用阻燃隔熱涂層，當前市面中比較常見的阻燃隔熱涂層為模間隔熱設計技術，該技術主要是指在模組之間增加阻燃隔熱涂層或者零件等，特斯拉電動汽車的電池組就添加了云母片，以此達到阻燃隔熱的要求。

第三，安全防爆炸設計，為了避免由于碰撞或者過度充電等造成的熱失控現象，在電池布局方面，設計指定的氣體排放空間，使電池內的高壓氣體能夠得到釋放，有效提高電池安全性[4]。

3.2 阻燃隔熱涂層實驗

為了了解阻燃隔熱涂層的有效性，本文對阻燃隔熱涂層在鋰離子動力電池PACK中應用進行了實驗。

實驗材料：鋰電池PACK殼體、阻燃隔熱涂層、高壓無氣噴涂機。

實驗過程：將阻燃隔熱材料噴涂在某品牌電動汽車的電池包表面，使阻燃隔熱涂層能夠達到200 μm、300 μm、400 μm，然后進行正常的養護，養護結束之后，進行實驗。根據國家相關實驗規定，對電池包進行燃燒實驗，然后記錄燃燒之前、燃燒過程中以及燃燒之后的數據，為結果分析提供可靠的依據。

3.3 阻燃隔熱涂層實驗結果分析

在實驗之后，對阻燃隔熱涂層實驗結果進行分析，合金的著火點為650℃，在實驗過程中，燃燒的溫度能夠到達1 300℃，沒有阻燃隔熱涂層保護的合金材料發生了劇烈的燃燒。在實驗過程中，阻燃隔熱涂層主要是水性單組固化涂層。據實驗數據表明，當發生燃燒時，噴有阻燃隔熱涂層的電池然后了將近2分鐘后自動熄滅，電池包處于正常的狀態。然后本文繼續對噴有300 μm、400 μm涂層的電池進行燃燒實驗，結果表明，300 μm的涂層耐燃燒時間能達到15分鐘，400 μm涂層的耐燃燒時間能夠達到25分鐘。由此可見，在電動汽車電池組中，增加阻燃隔熱涂層的設計，能夠有效控制電池燃燒、爆炸等事故，為車內人員提供充足的逃生時間。

4 總結

總而言之，電動汽車是近些年新興起的產業，其符合產業的發展的一般規律，即在發展初期會存在一些問題，在發展的過程中，不斷解決問題，使產業安全性等被完善。安全是電動汽車發展的根本，鋰離子動力電池燃燒問題的產生因素比較多，除技術問題之外，還會受到其他因素的影響。為了提高鋰離子動力電池使用的安全性，應該從電池生產廠家、整車廠家、消防部門以及充電領域等等均采取相關的安全措施，才能夠使電動汽車的使用安全得到保障。

參考文獻：

[1]李祥瑞.鋰離子動力電池PACK結構設計與散熱優化[D].山東大學，2020.

[2]盤朝奉，李桂權，陳龍，等.鋰離子動力電池組相變材料散熱結構優化簡[J].機械設計與制造，2017（9）：16-19.

[3]于成龍，劉瑩，喬鑫.基于多學科優化的鋰離子動力電池包輕量化設計[J].汽車安全與節能學報，2019，10（2）：233-240.

[4]徐保峰，陳鋼華，黃林德.阻燃隔熱涂層在鋰離子動力電池PACK中的應用[J].電池工業，2018（2）：15-16.