航空動力鋰離子電池熱失控高溫與沖擊危害的被動防護包容性

關鍵詞：鋰離子電池；熱沖擊；防火涂層；被動防護；熱失控包容性

促進綠色交通體系的發展是實現雙碳目標的關鍵措施之一[1]。在航空領域，推動綠色航空發展已成為國際社會的共同目標。電動飛機作為一種清潔、高效的交通方式，正逐步成為廣泛關注的焦點[2-3]。然而，電動飛機的廣泛應用存在一系列新的挑戰，鋰離子電池防火安全問題是關鍵之一。作為電動飛機的主要能源儲存設備[4-5]，鋰離子電池在提供高能密度的同時，也存在著火災風險。過充、過熱、外部沖擊等因素可能引發鋰離子電池內部的熱失控[6-8]，從而產生大量噴射火以及由氣體、蒸氣和顆粒組成的高溫混合物[9]。電池熱失控的熱沖擊是指高溫混合物的高溫沖擊以及其攜帶的壓力沖擊。這種耦合沖擊可能會損壞甚至燒穿電池包上蓋板[10]，進而燒毀周邊其他設備、結構和系統，造成災難性事件發生。基于此，民航對鋰離子電池熱失控包容性提出了明確的適航要求[11-12]。

熱失控包容性是指通過對電池系統采取主動管理或被動防護技術，使其能夠包容電池熱失控引發的熱沖擊危害、毒性危害以及氣體爆炸危害的影響，無碎片釋放，無火焰逸出，且有害排放物符合規定的排放類別。其中，主動管理通常由電池管理系統進行實時健康檢測并根據需求采取控制策略；被動防護技術則依靠不同的熱控材料和總裝布局協調，降低熱失控危害。被動防護技術在空間和重量方面具備顯著優勢，是熱失控包容性設計的重要內容。常見被動防控措施所用材料多為云母板和氣凝膠。然而，云母板的使用降低了電池包的能量密度和空間利用率，且在遭受較大震動時存在開裂的風險；氣凝膠的成本較高，限制其在動力電池領域的大規模應用。較之云母板和氣凝膠，防火涂料厚度通常不超過2mm，不會侵占電池包的內部空間，滿足電池包的輕量化設計需求，可在電池發生熱失控的緊急情況下在表面產生顯著的體積膨脹，有效地保護基材免受熱源的影響，提供良好的防火以及抗沖擊效果[13-15]。

針對鋰離子電池熱沖擊危害，已開展的相關研究可作為熱失控包容性設計的重要參考。Chen等[16]使用3臺高清攝像機和1臺高速攝像機從不同角度分析了鋰離子電池熱失控行為和噴射火焰演變，并對熱釋放速率進行了預測。Kong等[17]以OpenFOAM為框架建立了一種數值模型，對不同荷電狀態（stateofcharge，SOC）下鋰離子電池的排氣流動速度、噴射火焰高度和峰值熱釋放速率進行了數值求解。Wang等[18]研究了大容量磷酸鐵鋰離子電池的產氣和火焰行為，發現火焰溫度遠高于產氣溫度，熱失控噴射火焰的危險性主要表現在高溫火焰以及強烈的熱輻射。Chen等[19]測量了在燃燒室中鋰離子電池火災時噴射火焰攜帶的沖擊壓力。Chen等[20]研究了在半密閉空間內鋰離子電池初爆和熱失控時氣體噴射造成周圍環境的壓力變化，分析了這種沖擊壓力可能對人體造成的傷害。綜上，當前關于電池熱沖擊的研究多為對電池噴射火焰特性或者熱失控沖擊壓力特性的單獨研究，對電池噴射物的高溫沖擊和壓力沖擊的綜合研究相對有限。

量化研究電池噴射物的高溫沖擊和壓力沖擊影響的特性指標，可有效驗證防火涂層被動防護技術對于熱失控危害的綜合包容效果。本研究通過實驗探究不同SOC的鋰離子電池熱失控高溫噴射物造成的高溫沖擊以及壓力沖擊對上方頂板造成的危害，分析環氧樹脂基膨脹型防火涂料的阻燃特性，確定該防護措施對熱沖擊包容的有效性。為確定涂層在應用中的最佳厚度，通過實驗分析0.5、1.0和2.0mm厚涂層對100%SOC電池熱失控熱沖擊的包容效果，并最終驗證1.0mm厚涂層的熱沖擊包容效果是否滿足適航要求。

1鋰離子電池熱沖擊危險性分析

1.1實驗設置

實驗選取正極材料為LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2（NCM）的圓柱形鋰離子電池進行實驗，額定容量為2.6A·h。使用恒流-恒壓的充電模式對實驗用鋰離子電池分別充電至25%、50%、75%和100%的SOC。考慮到實際應用中常見的場景，選用了廣泛應用于電池包外殼的鋁合金作為基礎材料[21-22]。

圖1為熱沖擊測試平臺示意圖，實驗裝置由固定裝置、熱電偶和質量傳感器組成。圖1中，熱電偶布置于受沖板背火面中心處，用于測量鋁板被沖擊點的溫度變化；質量傳感器用于測算電池熱失控造成的沖擊壓力。

由于質量傳感器測量結果為熱沖擊引發的質量變化，為了方便量化熱失控沖擊值，通過下式計算沖擊壓力：

將單節電池置于圖1所示的熱沖擊測試平臺內，使其豎直固定在沖擊板中心下方10mm處，使用60W的加熱棒來觸發電池的熱失控。實驗中通過采集溫度和壓力數據來表征電池熱沖擊危險性。

1.2熱沖擊危險性分析

電池在加熱過程中溫度持續上升，首先安全閥發生破裂，高溫白煙通過破裂的安全閥從電池頂部冒出。隨著冒煙速率不斷增大，電池最終發生了熱失控，強烈的火焰從鋰離子電池頂部噴出，并帶有大量排出的高溫氣體和顆粒。電池熱失控階段產生了較高的噴射火力和沖擊壓力，從而對頂板造成機械沖擊傷害并導致頂板撞擊點區域溫度大幅上升。

圖2為在不同SOC的電池沖擊下頂板背面的最高溫度Tmax和頂板所受的最高沖擊壓力pmax。由圖2中的溫度曲線可知，當電池處于25%SOC時，熱沖擊造成鋁板溫升最低，最高溫度為89.9℃。這是因為，熱失控反應劇烈程度較低，較低的可燃氣體濃度和噴射速度導致輕度燃燒，頂板受熱量較少。SOC越高，熱沖擊造成鋁板的溫升越高，在滿SOC狀態下沖擊溫度高達274℃。這種趨勢表明，熱沖擊的最高溫度隨SOC的提高而升高。這是因為，SOC越高，電池內部儲存的化學能量越多，而且電池內部電解液和電極材料的反應性增強，使熱失控現象更劇烈。此外，高SOC的電池產生的排氣混合物可燃性范圍更寬，因此更容易被點燃，從而引發更劇烈的燃燒。由圖2中的沖擊壓力曲線可知，當電池SOC分別為25%、50%和75%時，熱失控噴射產生的最大沖擊壓力分別為0.85、2.44和5.09kPa，最高沖擊壓力相對較低。然而，100%SOC下，最大沖擊壓力急速上升至13.23kPa。隨著SOC的提高，電池的熱失控反應變得更劇烈，參與反應的物質總量增多。在安全閥失效前，電池內部積累的氣體量增大，釋放的能量也隨之增加，導致氣體和顆粒物的噴射量和速度大幅提高，從而對頂板產生更強的沖擊。

綜上所述，鋰離子電池熱沖擊不僅會對電池正極正上方單元施加較大的熱負荷，還會引起機械傷害，兩者的耦合效應加劇了安全風險，將破壞電池包的結構完整性。火焰噴射以及高溫氣體和顆粒的排出導致頂板撞擊點溫度急劇升高，形成局部過熱，伴隨明顯的溫度梯度，產生巨大的熱應力，顯著降低外殼的強度。在滿SOC狀態下，頂板溫度達到274℃，參考歐洲規范規定的鋁合金高溫力學性能參數[23]得知，此時鋁板受沖擊區域的屈服強度至少下降了45%。同時，熱失控引發的機械沖擊使電池包上蓋板瞬間承受壓力沖擊。此外，電池熱失控的多米諾效應會導致外殼經歷多次高溫沖擊的累積損傷[24]。這種疊加效應加劇了外殼發生塑性變形、屈曲甚至破壞的風險，從而導致電池包內的易燃或有毒氣體泄漏，進而引發更嚴重的后果。因此，針對電池熱沖擊，特別是在滿SOC狀態下，必須采取有效措施來降低熱沖擊和機械沖擊的危害，以確保電池系統的可靠運行。

2防火涂層抗熱沖擊特性

2.1防火涂層材質

由上文中的危險性分析可知，電池熱失控防護不僅需應對噴射物的高溫風險，同時還需抵抗機械沖擊危害。因此，電池被動防護技術所選涂料需具備較高的防火能力和抗沖擊能力。實驗中選用E80S20和E85S15B3環氧樹脂基膨脹型防火涂料，其主要構成包括E51環氧樹脂、坡縷石（Si8O20Mg5（Al）（OH）2（H2O）4·4H2O）、有機硅樹脂、聚磷酸銨（ammoniumpolyphosphate，APP）、三聚氰胺（melamine，MEL）、季戊四醇（pentaerythritol，PER）、碳化硼、海泡石（Si12Mg8O30OH）4（OH2）48·H2O）以及593固化劑[15]，配方見表1。

涂層在受熱時，配方中的聚磷酸銨、季戊四醇和三聚氰胺之間會發生協同反應，環氧樹脂和有機硅樹脂會發生分解反應，這些反應均為吸熱反應，可以消耗熱量并起到一定的冷卻作用。其次，聚磷酸銨、三聚氰胺成分在反應過程中會產生不可燃氣體和水蒸氣，有效稀釋O2濃度，可氣相阻燃。此外，涂層受熱會形成泡沫狀膨脹炭層，炭層將熱源與基材隔離，有效地減少了電池噴射物對鋁板的傳熱量[13，15，25]。

2.2涂層防護特性實驗設置

涂層的防護特性可依據GB/T12441－2018《飾面型防火涂料》和ISO5660-1《著火反應試驗：放熱、產煙和質量損失率》進行大板燃燒實驗和錐形量熱儀實驗獲取[26-27]。大板燃燒實驗通過模擬真實火災情境，測試材料的隔熱效果和耐火性能。實驗采用丁烷噴槍模擬電池熱失控火焰溫度1200～1300℃。實驗板尺寸為100mm×100mm×1mm，在其表面均勻涂制厚度為1.5mm的阻燃涂層。涂層在室溫下固化24h后實施大板燃燒實驗。實驗時，噴槍噴嘴到涂層表面的距離（火焰長度）保持8cm。在涂層背面安裝K型熱電偶，并通過數據采集裝置記錄背面溫度的變化。錐形量熱儀實驗主要研究材料在受熱時的燃燒行為和熱釋放特性。實驗試樣尺寸為100mm×100mm×4mm，使用Vouch6180儀器對涂層樣品進行測試，輻射通量設定為35kW/m，測試操作方法嚴格按照標準程序完成。

2.3涂層防護特性分析

圖3展示了大板燃燒實驗的結果。E80S20涂層和E85S15B3涂層均表現出優異的阻燃性能，在丁烷火焰沖擊下有效降低了背火面的最高溫度，并在測試過程中顯示出較強的耐久性。背火面的溫度呈現出先快速上升后逐漸下降并趨于平穩的趨勢。在火焰沖擊的前8min內，各涂層的背面溫度迅速達到峰值，分別為221和184℃。由于E85S15B3涂層中添加了碳化硼，在高溫下生成硼硅酸鹽玻璃，增強了其熱障性能，因此其阻燃效果更加出色。隨后，所有涂層的背火面溫度均有所下降，這是由于殘炭的膨脹完成及內部持續進行的吸熱反應所致。最后溫度趨于平穩，表明涂層內部的化學反應和物理變化達到了平衡狀態。

表2為涂層樣品的錐形量熱測試結果。表中分別記錄了樣品的點火時間（timetoignition，TTI）、熱釋放速率峰值（peakheatreleaserate，PHRR）、總放熱量（totalheatrelease，THR）以及質量殘留率（massresidualratio，MRR）。E80S20涂層較之E85S15B3涂層的點火時間推遲了2s，這表明E80S20涂層的早期熱隔離性能更為顯著，能夠在短時間內有效抑制初期熱量傳遞，從而推遲材料的點燃。PHRR和THR反映了材料的阻燃性能，數值越低，阻燃性能越好。2類涂層PHRR和THR均相對較低，能夠很好地抑制燃燒放熱，減緩熱沖擊的溫度影響。E85S15B3涂層的熱釋放速率和總熱釋放量都更低，具有更好的防火性能。此外，2種涂層在作用后質量殘留率相當，這表明兩者在燃燒過程中的耐火性和抗分解能力相對接近。

圖4為錐形量熱測試后E80S20和E85S15B3涂層的形貌照片。2類涂層在實驗過程中均經歷了不同程度的膨脹，變成了明顯的山丘狀結構。涂層的熱膨脹過程會發生吸能效應，將分散沖擊所帶來的部分機械應力。對比圖4中的膨脹高度可知，E80S20涂層的膨脹性能略強于E85S15B3涂層。由于E80S20中含有較高比例的有機硅樹脂，在受熱時會發生更顯著的膨脹，從而減輕了更多的沖擊壓力。

綜上所述，E80S20涂層和E85S15B3涂層均可對高溫沖擊產生一定程度的防護作用，且E85S15B3涂層的防火效果較好，E80S20涂層緩解機械沖擊的效果更佳。

3防火涂層厚度的優選

防火涂層厚度直接決定了防護效果。現有技術生產的膨脹型涂層干膜厚度需在0.5mm以上才能達到較好的阻燃隔熱效果[28]，且在實際應用中膨脹型涂層厚度通常不超過2.0mm[15]。通過圖1中熱沖擊測試平臺，分別測試厚0.5、1.0和2.0mm防火涂層的防護效果。

圖5為不同涂層厚度下受沖板背火面最高溫度Tmax和受沖板所受的最大沖擊壓力pmax，Tmax和pmax分別反映了防火涂層對電池熱失控高溫和壓力沖擊的阻隔效果。由圖5（a）可知，防火涂層顯著降低了鋁板的峰值溫度，以1.0mm厚的涂層為例，鋁板背火面的最高溫度分別降至106.31和89.31℃，在該溫度下，鋁板受沖擊區域的屈服強度僅下降了約5%，此時鋁板的力學性能與常溫下幾乎無異，能夠有效維持其結構穩定性。由圖5（b）可知，防火涂層在一定程度上還減緩了鋁板受到的沖擊壓力。這意味著，涂層的使用不僅有效防止了高溫導致的鋁板強度下降，還減少了作用于鋁板的機械載荷，降低了其發生塑性變形或屈曲的風險。此外，對比2個涂層包容效果發現，同等厚度下，E85S15B3涂層高溫包容效果均優于E80S20涂層，E80S20涂層沖擊壓力包容效果均優于E85S15B3涂層，這與第2節中的研究結果相印證。

為實現定量分析不同厚度涂層對電池高溫沖擊的防護效果，采用下述公式對不同厚度涂層在電池熱失控情形下的包容效果進行計算：

式中：CT為高溫包容效果，Tb為采取包容措施前的受沖擊板背面最高溫度，Ta為采取包容措施后的受沖擊板背面最高溫度，Cp為沖擊壓力包容效果，pb為采取包容措施前的最高沖擊壓力，pa為采取包容措施后的最高沖擊壓力。

E80S20涂層和E85S15B3涂層的包容效果見表3。由表3可知，E80S20涂層和E85S15B3涂層的熱沖擊包容效果隨厚度增大呈現增速趨緩的趨勢。當厚度超過1.0mm后，增大厚度對熱沖擊的包容效果增益下降，且增加幅度不再顯著。盡管增大涂層厚度可增強其防護效用，但考慮到材料成本、施工成本和維護成本以及增大涂層厚度會增大涂層與基材之間的剪切力，導致附著力降低而影響涂層的穩定性和耐久性，綜合評估選取最優涂層厚度為1.0mm。

4被動防護包容效果分析

4.1實驗設置

搭建鋰離子電池熱失控包容性實驗平臺，如圖6所示，以驗證被動防火涂層的包容效果。實驗艙為一個由不銹鋼制成的矩形體，尺寸為200mm×150mm×120mm。其上表面為可更換的鋁板，通過螺栓固定以確保艙體的密閉性。2節鋰離子電池并排放置于實驗艙的中央位置，電池的安全閥與涂層之間的距離為10mm。電池之間放置一根功率為60W的加熱棒，用于觸發電池熱失控。涂層厚度設定為1.0mm。實驗過程中，使用紅外熱成像儀對實驗板背火面（外表面）溫度分布進行監測。

4.2防火涂層被動防護方法包容效果

圖7展示了鋁板在電池熱失控高溫沖擊后的表面殘留物。其中，無涂層鋁板表面被熱失控噴射的顆粒覆蓋，有涂層鋁板表面覆蓋了涂層吸熱膨脹燃燒后形成的殘炭和吸附的熱失控顆粒。由于材料的炭層強度不同，使得殘炭表面均存在著不同大小的破壞痕跡。相較于E80S20涂層，E85S15B3涂層的受損面積更小，殘炭表面也更加致密。這說明E85S15B3涂層在電池高溫噴射物作用下具有更好的耐火和隔熱性能。較小的受損面積表明該涂層在高溫環境下能夠提供更有效的物理屏障，減緩火災中的熱解反應速率，降低了基材暴露于高溫環境中的程度。殘炭表面致密性則意味著該涂層在熱分解過程中形成了結構穩定的保護層，有效抑制了熱量向基材的進一步傳導。

圖8展示了紅外熱成像儀測量所得實驗過程中鋁合金蓋板外表面的最高溫度，圖中Tavg為平均溫度。3組實驗的峰值溫度分別為118.1、52.2和56.5℃。涂敷E80S20涂層和E85S15B3涂層后，蓋板最高溫度較空白組分別降低61.6和65.9℃，分別降低約52.16%和55.80%。這一結果表明，在包容性驗證實驗中，涂層材料依然能夠有效降低蓋板的峰值溫度，從而對電池熱失控引發的高溫沖擊危害提供了有效防護。其中，E85S15B3涂層降溫效果更顯著，這與前文的分析結果一致。

圖9為鋁合金蓋板外表面在最高溫度時刻溫度分布的具體情況，圖中x為沖擊面的寬度，y為沖擊面的長度。無涂層防護時，電池熱失控產生的高溫沖擊導致艙體上表面結構溫度顯著升高，高溫區域的面積大，其中，溫度高于50℃的區域面積占比22.18%。相比之下，涂有涂層的鋁板有效地抑制了高溫擴散，明顯減小了高溫范圍，其中，溫度高于50℃的區域面積占比僅為0.48%和1.67%。此外，對比2類涂層發現，盡管E85S15B3涂層較E80S20涂層的峰值溫度低，但整個鋁板內的平均熱量卻相對較高。E85S15B3涂層在受熱過程中生成碳化硅，其具有較高的熱導率，會使熱量更均勻地分布到整個蓋板上，從而有效降低了局部的峰值溫度。

圖10為無涂層和有涂層時鋁板外表面的最高溫度曲線。在無涂層實驗中，由于無任何保護機制，電池發生熱失控時，鋁板表面溫度驟然升高，撞擊點區域溫度達到了118.1℃。由于密閉空間內氧氣含量有限，可燃氣體燃燒反應不完全，實驗峰值溫度低于之前實驗的最高溫度。有涂層實驗中，電池發生熱失控時鋁板溫度均能保持在常溫附近，分別為28.7和21.5℃，溫度防護效果顯著。隨后，由于電池熱失控火焰的持續燃燒以及電池噴射物中的高溫顆粒黏附在鋁板上[29]，鋁板的溫度逐步上升并達到峰值。此外，防火涂層材料對溫度上升時間起到了有效延遲效應，分別向后了32.4和28.4s。這表明，防火涂層材料可延緩熱量傳遞，具有良好的熱阻效用。

圖11為實驗后鋁板受到電池熱失控高溫沖擊壓力后的形變狀態。電池熱失控高溫沖擊導致鋁板發生明顯形變和凸起。將鋁板凸起最高點與水平面的距離定義為最大凸起高度，表征涂層對沖擊壓力的包容作用。測量圖11中的鋁板凸起高度，3組實驗鋁板凸起后的最大高度分別為10.0、3.5和6.0mm，殼體的最大凸起減小了6.5和4.0mm，形變降低72.2%和44.4%。這一顯著變化主要是因為，涂層通過其熱膨脹吸收了部分沖擊能量，并通過隔熱效應減緩了高溫對鋁板力學性能的削弱。這種綜合作用增強了殼體在高溫沖擊條件下的抗形變能力，進一步提升了其結構穩定性。

5結論

研究了鋰離子電池熱失控產生的高溫與沖擊對電池艙體上蓋板的影響，并分析了被動防護技術中防火涂層對此危害的包容效果和有效性，得到的主要結論如下。

（1）鋰離子電池熱沖擊會對電池艙體上蓋板施加較大的熱負荷和機械負荷，破壞電池包的結構完整性，且這種破壞性與電池的SOC呈正相關。在滿SOC狀態下，電池熱失控致使上蓋板最高溫度升至274℃，最大沖擊壓力達13.23kPa。

（2）實驗采用的2種自研防火涂層均能夠抑制火焰燃燒并可以在受熱膨脹時減輕機械沖擊傷害。E85S15B3涂層在緩解高溫沖擊方面效果較優，E80S20涂層在緩解沖擊壓力方面效果較好。

（3）E80S20涂層和E85S15B3涂層對電池熱失控高溫和壓力沖擊的包容效果隨厚度增加呈現出增速趨緩的趨勢。當厚度超過1.0mm后，增加厚度對熱沖擊的包容效果增益明顯下降，且增加幅度不再顯著。因此，在實際應用中，可以將涂層的涂覆厚度設置為1.0mm，以實現最佳的防護效果和材料利用率。

（4）參考相關適航要求進行熱沖擊包容性驗證，結果表明該涂層可以有效實現對熱沖擊危害的包容。厚度為1.0mmE80S20涂層和E85S15B3涂層分別使電池包頂板峰值溫度下降可52.16%和55.80%，殼體最高凸起形變分別降低了72.2%和44.4%。

本文的研究結果可為航空鋰離子電池的危險性評估和熱失控包容性的設計提供參考。隨著電動航空器的快速發展，對動力電池包的安全要求將越來越高，而契合電池包輕量化特點的防火涂料有望得到越來越多的應用。未來的研究應著眼于開發更高效的防火涂層材料，進一步提升其隔熱和抗沖擊性能，以增強電池包在熱失控情況下的包容效果。此外，還應將被動防護措施與主動降溫措施相結合，構建多層次的安全防護體系，最大程度地減少電池熱失控可能造成的損害。