車用鋰電池熱失控特性及其控制方法分析

2024-10-08 00:00:00潘新鋒邵長風王小燕

時代汽車 2024年17期

摘要：隨著電動汽車的普及，鋰電池的安全問題特別是熱失控現象變得日益重要。本文對熱失控特性及其控制方法展開研究。分析了熱失控的多種誘因，如電化學問題、機械和電氣故障，并探討了它們對電池熱行為的影響。文章還描述了熱失控從起始到最終階段的過程，包括溫度升高、化學反應失控，以及可能導致的燃燒或爆炸。此外，綜合評述了熱失控檢測與防控技術的研究進展，如優化熱管理系統、完善電池管理系統（BMS）和使用新型隔熱材料。最后，展望了未來發展方向，總結了研究成果，并提出了未來研究的建議和改進方向，以促進該領域的發展。

關鍵詞：鋰電池熱失控控制方法電池管理系統液冷系統

隨著全球能源轉型和環保壓力增加，新能源汽車日益重要，鋰電池因其優勢成為電動車核心。但鋰電池存在一定的熱失控風險，理解并控制車用鋰電池熱失控特性對提升電動車安全至關重要。

鋰離子電池發展始于1970年代，基于早期電池技術。經年累月，通過材料、結構改進，電池性能提升，形成液態和凝聚態兩種主要類型，支持了便攜電子設備對電動車的能源需求。

新能源汽車行業快速擴張，受減排需求和政策推動，銷量上升。政府和廠商通過補貼、基建、法規及技術研發促進市場增長。鋰離子電池技術進一步提高了電動車續航，縮短充電時間，盡管面臨充電設施、電池回收等挑戰，行業前景仍被看好，將繼續推動汽車行業發展。

1 鋰電池熱失控原因分析

1.1 鋰離子電池

鋰離子電池由正極、負極、電解液和隔膜四部分組成。正極包含材料、導電劑、粘合劑和集流體；負極通常用石墨等碳材料，充電時儲存鋰離子；電解液是有機溶劑、鋰鹽和添加劑的混合物，作為鋰離子傳輸介質；隔膜是微孔絕緣材料，防止正負極短路。工作原理基于鋰離子在正負極間的移動，放電時鋰離子從負極經電解液移至正極，充電時則相反，從而存儲和釋放能量。

1.2 熱失控現象

隨著鋰離子電池在現代電子設備和電動汽車中的廣泛應用，其安全性問題尤為重要。在所有潛在的安全風險中，熱失控事件因其可能導致災難性后果而備受關注。鋰離子電池的熱失控是一種復雜的現象，涉及多種化學反應和物理過程，并且常常導致火災或爆炸。理解引發這一現象的原因對于確保鋰離子電池的安全運行至關重要。

1.3 機械濫用

機械濫用是鋰電池熱失控的關鍵因素，可能導致內部結構損壞、隔膜破裂和內部短路，引發異常電流和局部過熱。若未加控制可能引發連鎖反應導致熱失控。此外，機械濫用還可能損壞電池外殼，導致電解質泄漏，加劇熱效應并增加熱失控風險，同時影響電氣性能。為防熱失控，需采取安全措施和設計標準，確保電池不受機械沖擊變形或破壞[5-6]。

1.3.1 機械濫用的熱失控誘因及機理

機械濫用如擠壓、針刺和碰撞會引發電池熱失控。擠壓破壞內部結構，導致正負極間接觸產生內短路，進而放電產熱。溫度升高后，固體電解質界面膜分解進一步產熱，隔膜溶解無法阻止溫度上升。達到180度以上時，電解液和正極材料分解產氣，導致電池膨脹，最終引發熱失控。

在隔膜材料中，垂直機械方向的抗拉能力較弱，應加強此方向的抗拉能力。實驗顯示[9]，氧化鋁/聚乙烯/氧化鋁雙面陶瓷隔膜的抗拉能力和電池安全性較高。此外，機械濫用還可能導致電解液泄漏，侵蝕元件或引發火災。

1.3.2 機械濫用熱失控特性

機械濫用熱失控的特性包括局部劇烈升溫，熱量積累及蔓延，最終導致起火或爆炸。在電池組中，如果有單體電池因為機械濫用等原因發生了局部劇烈升溫，這個熱量的積累會導致該單體電池溫度迅速上升。高溫單體電池不僅本身存在安全隱患，還可能引發周圍其他單體電池也發生熱失控，造成熱失控現象在整個電池組內部擴散，增加了安全風險。除了由于機械濫用導致的過熱以外，如果電池的連接部件出現松動也可能會造成局部電阻增大，從而引發局部過熱。

1.4 電濫用

鋰電池的熱失控通常是由內部電化學反應失控引起的，這通常涉及電池的過充電、過放電和內外短路。當電池充電或放電超過其設計的電壓或容量限制時，可能會引發電池內部的副反應，導致內部局部電芯過熱，從而觸發熱失控。此外，如果電池內部的隔膜損壞或者電極材料的脫落可能導致正負極直接接觸，形成內部短路，也是熱失控的常見原因之一。內部短路會引發局部高溫，進而觸發鏈式反應，導致熱失控。

電濫用的熱失控誘因及熱失控特性：電濫用導致的熱失控主要有內部短路、外部短路、過充電和過放電等原因。內部短路常由隔膜損壞或電極材料脫落引發，導致局部高溫并觸發鏈式反應。外部短路則由正負極意外直接連接引起，電流劇增，溫度上升。過充電發生在電池超過額定電壓或容量時，可能因電池管理系統失控、充電環境異?；螂姵乩匣灰恢乱餥11]，導致內部壓力增大，溫度升高，可能引發熱失控。過放電在電量過低時繼續放電，會破壞化學平衡，損壞電池結構，增加熱失控風險。

1.5 熱濫用

熱濫用的熱失控誘因：熱濫用導致的鋰電池熱失控是在過熱環境下，電池局部劇烈升溫。溫度超限可能引發化學反應，使內部溫度和壓力急劇上升。一旦單個電池單元熱失控，可能引發連鎖反應，影響整個電池組的安全。為預防熱失控，研究人員正在開發基于多維傳感信號融合的預警技術，通過監測熱、電、機械和氣體等特征信號，準確掌握電池安全狀態，實現早期預警。確保電池使用安全需技術創新與管理措施相結合。

1.6 BMS（電池管理系統）失效

BMS失效導致的鋰電池熱失控通常涉及電池管理系統無法正常監測和控制電池的電壓、溫度等關鍵參數，從而導致電池內部的化學反應失控。具體來說，當電芯隔膜開始大量溶解，電池內部發生大規模內短路時，電壓會急劇下降，這是熱失控已經無法遏制的一個明顯信號。在這個過程中，電芯端電壓是一個可檢測的電氣參數，但當前的BMS系統只能精確采集到每一個串聯模組的電壓，而無法對每一個電芯進行實時監控[7]。

2 鋰電池熱失控發展過程

2.1 熱失控的誘發階段

鋰電池熱失控發展過程中的誘發階段是一個復雜的過程，涉及電池內部化學反應和外部因素的影響。在這個階段，電池內部可能會因為各種原因產生熱量，這些原因包括制造缺陷、外部損傷如擠壓或針刺等機械誘因。當電池內部的溫度逐漸升高，達到50℃至140℃的范圍時，電池進入自生熱階段。

在這個階段，如果電池內部的熱量無法有效散發，或者由于外部熱源的影響導致電池溫度繼續上升，可能會引發更嚴重的化學反應。這些反應遵循鏈式反應的機制，一個接一個地發生，導致電池內部溫度迅速升高。同時，電池表面還會通過熱傳導、熱對流和熱輻射的方式與外部環境換熱。

2.2 熱失控的發展階段

鋰電池熱失控的發展階段是整個熱失控過程中最為關鍵的部分，這一階段的特征是溫度的迅速上升和化學反應的加速。在自生熱階段，隨著溫度的上升，SEI膜（固態電解質界面膜）開始溶解，這通常發生在90℃左右。SEI膜的溶解使得負極材料及其中的嵌鋰碳直接暴露在電解液中，隨后嵌鋰碳與電解液發生放熱反應，導致溫度進一步升高。這個放熱反應又促進了SEI膜的進一步分解，形成了一個惡性循環，直至SEI膜完全分解。

當溫度超過140℃時，電池進入熱失控階段。此時，正負極材料都參與到電化學反應中，反應物質量的增加使得溫度的提升速度更快。這個階段的反應是劇烈的，并且伴隨著大量的熱量釋放，可能導致電池結構的損壞，如隔膜融化等。這個過程的溫度范圍是140℃至850℃。

2.3 熱失控的失控階段

鋰電池熱失控發展過程中的失控階段是整個熱失控過程中最為危險的環節。在這一階段，電池內部的反應變得非常劇烈，溫度迅速升高，可能引發一系列嚴重的后果。

當電池溫度超過140℃時，SEI膜（固態電解質界面膜）會開始分解，釋放出熱量和氣體，如CO2。隨著溫度的繼續上升，隔膜開始融化，這通常發生在140℃左右。隔膜的融化可能導致電池內部發生內短路，進一步加劇了溫度的上升，電池的正極材料會在這時發生分解反應，釋放大量的熱量和氧氣。

在這個階段，電池內部的化學反應遵循鏈式反應的機制，即一個反應引發另一個反應，形成一個惡性循環。這些反應包括電解液的分解、粘結劑的分解等，都會釋放出大量的熱量和氣體。這個過程的溫度范圍是140℃至850℃。

2.4 熱失控的災害階段

鋰離子電池熱失控的災害階段通常涉及一系列復雜的化學反應和物理過程，這些過程相互作用，導致電池溫度迅速升高，最終可能引發火災或爆炸。

當電池溫度達到一定水平時，電池內部的化學反應會進入一種失控狀態，這就是所謂的“熱失控”。在這個狀態下，電池內部的化學反應會以極快的速度進行，產生大量的熱量和氣體。這些熱量和氣體會導致電池內部壓力迅速升高，電池發生大規模內短路，最終可能導致電池殼體破裂、起火或爆炸。

一旦熱失控事件發生，即使電池溫度重新降至正常水平，電池的性能也可能已經嚴重受損，無法繼續使用。因此，了解熱失控的機制以及如何預防和控制熱失控的發生對于確保鋰離子電池的安全性至關重要。

2.5 熱失控鏈式反應機制

鋰離子電池熱失控的鏈式反應機制通常涉及多個階段，包括化學反應產熱、活性物質分解、溫度升高和內短路等。通常是由機械濫用導致鋰離子電池出現內部短路或外部短路，進而導致鋰離子電池電濫用，電濫用大量產熱且熱量沒能得到及時地散出，然后致使熱濫用的發生，最后使得鋰離子電池發生熱失控，主要現象為冒煙、起火、爆炸等。

3 鋰電池熱失控控制技術的發展

3.1 鋰電池液冷散熱

應對鋰電池熱失控的冷卻方法包括空氣冷卻、熱管冷卻、相變冷卻、液體冷卻等冷卻方法，但各自都存在換熱效率低、環境和溫度適應性差、成本高導熱系數低等缺點，而隨著電池能量密度技術的提升與對散熱能力的需求提高，液體冷卻技術愈發重要。其中最高效的一種則是浸沒式液冷，把電池浸泡在非導電的電解質中，直接接觸冷卻液，讓電池各面受熱一致，溫度保持均勻。優點還包括穩定安靜、節約能源與空間等。對于冷卻液則有沸點高、低黏度、不易揮發和兼容性好等要求，以確保系統穩定進行。氫氟醚是其中一種常見的良好介質，如3M公司的Novec系列產品，在單相浸沒式液冷中得到廣泛應用。

浸沒式液冷是電池熱管理技術的主要領域之一，目前世界范圍已進行了大量研究，但對于不同類型的浸沒式液冷的評價準則仍未完善。評估需要考慮諸如溫度、配件質量比例、成本等指標，并且不能忽視對電池安全和壽命的影響。

3.2 BMS（電池管理系統）優化設計

優化BMS設計需考慮硬件精度、軟件功能、結構布局、系統集成和環境適應性，確保電池高效安全運行。硬件要精確采集數據，軟件監控電池狀態，結構設計合理，系統集成緊密，環境適應性強。同時，考慮成本效益、法規遵從性和易于更新，以提升性能、保障安全并延長電池壽命，提供更好的用戶體驗。

軟件方面，用合適算法監控電池狀態，解決電芯不一致性，支持模塊化架構。結構方面，結構設計應標準化、可維護，優化空間布局和系統集成，提高可靠性和適應性。系統集成確保BMS與車輛其他系統緊密協調。要求環境適應性強，穩定運行于各種條件。考慮成本效益，保持市場競爭力。符合法規，便于維護更新。這些優化提升性能、保障安全、延長壽命，改善用戶體驗[7]。

3.3 探索安全材料

優化電池性能與安全性主要通過材料創新和技術改進實現。研究新電池材料如硅負極，提升儲能力；改善材料結構，加快充電速度；改良電解液成分，提高低溫活性，減少內阻，提升充放電效率與安全性。

在優化過程中，計算機輔助工程（CAE）模擬電池電化學和熱力學過程，幫助理解內部反應，優化設計。3D打印技術制造關鍵材料和結構，增加制造靈活性，提升傳輸能力和動力學。

多尺度仿真技術從原子到組件分析性能，指導材料選擇。整合設計制造信息，全流程優化。云計算提高計算效率，加速開發測試。精確模型和數值模擬預測性能，指導實驗方向。結合實驗室研究和生產經驗，積累數據知識，形成系統優化方法。

綜合多學科技術方法，科研人員、工程師和制造者共同推動電池性能提升。通過這些措施，提高電池能量密度、充放電速度、壽命和安全性，滿足現代需求。

4 結論

本文審視了車用鋰電池的熱失控特性及其控制方法。通過深入探討了電池熱失控的多種原因，并評估目前用于預防和控制熱失控的策略和技術，包括電池管理系統（BMS）的優化、熱管理系統的設計、材料的改進以及安全閥的使用。從這些研究中可以看出，盡管在理解與處理鋰電池熱失控方面已經取得了重要進展，但安全性和高能量密度之間的平衡仍是一個持續的挑戰。當前的控制策略還需要進一步提高其預測能力和響應速度，以便在實際運行中有效地預防或減輕熱失控事件的影響。

未來工作應聚焦關鍵領域：

（1）發展高精度監測技術，用先進傳感器和機器學習算法及時檢測電池狀態。

（2）合作開發新材料，具備高熱穩定性和低化學反應活性，設計有效控制熱傳播的結構。

（3）完善熱管理系統，保持適宜溫度，考慮新的能量消散技術。

（4）制定嚴格安全標準和測試程序，通過跨學科合作提供全方位安全保障。

參考文獻：

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