锂离子电池热失控防控技术探究

岳仁兴 刘嵘一 张建中 石兆静 袁玉强

摘要：锂离子电池是重要的能源动力来源，在新兴产业发展中发挥重要作用。因多种因素的影响造成锂离子电池内部出现升温不可控的情况，从而给锂离子电池的安全使用带来威胁和危害。本文围绕锂离子电池热失控防控技术进行了探讨，通过对电池热失控过程分析，并论述了防控锂离子电池热失控的技术，旨在提高锂离子电池热失控防控技术水平，提升电池使用安全性能。

关键词：锂离子电池、安全、热失控防控技术

中图分类号：TM912

1.引言

锂离子电池的热失控指的是因一系列因素而造成的升温不可控现象，外在表现为着火、燃烧、爆炸等单一反应或连锁性反应。热失控是锂离子电池的重要风险，因此对锂离子电池热失控防控技术进行分析研究十分必要。

2.锂离子电池热失控概述

单体锂离子电池放热反应过程中会引起电池内部温度升高，因温度升高无法被控制而产生的电池过热、着火、燃烧、爆炸等现象都属于锂离子电池热失控的危害性表现。锂离子电池内部存在一系列潜在的放热副反应，如果电池发生短路现象或者出现过充现象，则很容易引发电池内部温度升高，潜在的放热副反应被相继引发，如果反应释放的热量没有及时散发，则电池内部温度快速升高，使电池进入到热失控状态，引发电池安全事故。由此可见，锂离子电池热失控是一种内部问题，要想从根本上解决电池热失控的问题，就要对电池热失控的过程进行分析。

3.锂离子电池热失控过程分析

引发锂离子电池热失控的因素主要包括两大类，一类是内部因素，包括極片发生褶皱、氮磷配比不合理、金属杂质过多、隔膜发生缺陷或破损、水分含量过高、锂元素析出等;另一类是外部因素，包括短路、挤压、过充等。无论是内部因素还是外部因素引发的热失控状况，热失控过程都会经历三个阶段，启动阶段、加速阶段、失控阶段。因此，如果在锂离子电池没达到失控阶段的时候采取合理的防控措施，是能够避免电池热失控恶化的[1]。

对锂离子电池热失控过程进行分析，可通过对电解液和电极的反应机理进行测试，通过分析电解液在加热条件下的热效应以及电池负极的分解情况，从而找到锂离子电池出现热失控的温度临界点或温度区间。如温度在110～150℃，主要反应是LixC6电解，钝化膜破裂;温度在130～220℃，主要反应是LiPF6电解质溶解;温度在160～190℃，主要反应是P.P.隔膜熔化，反应为吸热反应;温度在150～300℃，主要反应是Li0.1Mn2O4分解反应;温度在240～350℃，主要反应是LixC6和PVDF粘结剂分离，伴随电池爆炸。锂离子电池的并联或者串联方式不同，会对电池内部热量的集聚情况和内部压力造成影响，使锂离子电池热失控过程更加复杂。

4.防控锂离子电池热失控的关键技术

使用隔热板等材料进行热阻隔。热失控电池与暂时安全的电池之间很容易发生连锁性反应，因此通过隔热材料对热失控电池和安全电池之间进行隔离，阻断热量传递和高温辐射传播，使热失控危害性降到最低。例如对圆柱体电池模组中电池之间的间隔距离进行调整可以控制热量传递和辐射风险，有效组织热失控蔓延。在采用隔热材料进行热阻隔时，还可能对热失控电池的散热效果造成不利影响，这是目前该防控技术研究的重点。研究人员尝试用不完全封闭的隔热层来寻找一个较好的效果，既能够阻断热失控电池向周围安全电池的热传导，同时也能够使热失控电池具备一定的空气对流性，防止局部温度过高。目前，在隔热板的厚度研究上主要采用了模拟仿真的方式，寻找阻隔材料最优厚度。在隔热板材料的研究上，换热面积越大的情况下，散热效果越好。采用泡沫基材料的风冷系统可提高换热面积，增加散热面积。

使用液体材料进行热阻隔。如聚丙烯酸钠是一种柔性水凝胶，这种水凝胶具有很强的可塑性，在电池中间可以以任何形状存在。由于水凝胶中高含量的水具有很高的比热容和阻抗性能，因此具有很好的隔热效果。

在电池隔膜上或电极表面涂覆聚合物材料，使锂离子电池具有热关闭功能。由于电池隔膜或电极表面具有聚合物层，聚合物层是多孔结构，因此在常温下，离子可以自由通过隔膜。当电池出现短路情况或出现过充情况时，电池温度升高，在高温条件下，涂覆的聚合物一旦达到熔化温度就会发生熔化，从而使聚合物层不再是多孔结构，变成致密性结构，从而切断电池电极之间的离子传输，使电池反应切断。武汉大学研究人员研究的乙烯-乙酸乙烯聚合物层表现出较好的试验效果。在常温下该聚合物层不会对电池性能造成不利影响，一旦电池温度高于90℃时，聚合物层熔化形成致密隔膜。

在电池中添加特殊试剂阻断离子传输。如采用具有热聚合性质的物质作为电极材料表面涂层，或者在电池电解液中加入具有热聚合性质的单体，通过这些添加试剂来引发聚合反应，阻断电池离子传输。在正常温度下，添加剂不会影响离子的传输，当温度升高到聚合反应温度值时，电解液发生固化或者形成致密的聚合物膜，阻断锂离子传输，实现电池热失控防控目的。如在锂离子电池电解液中加入偶氮二异丁腈和双马来酰亚胺，改善电解液对温度的敏感性。当温度升高到116℃时，电解液中的聚合物发生聚合反应使电解液发生固化，电池离子反应被关闭，切断热失控进程。由于添加剂可能会对电池电极循环稳定性带来不稳定影响，因此限制了该技术的大规模应用[2]。

5.结语

对于锂离子电池来说，安全性是电池大规模应用的重要技术问题。热失控是锂离子电池发生安全事故的重要原因。因此必须对锂离子电池热失控防控技术进行研究，可从外部和内部两个路径来阻隔热失控进程。一方面通过在锂离子电池内部建立起保护机制，使电池内部的离子或电子传输危险源被切断，关闭电池反应;另一方面可通过采用外部隔热层来对热失控电池散热进行阻隔，对周围安全电池起到较好安全防控效果。

参考文献

[1]郭亚洲.田相军.凌泽.锂离子电池失控机理研究现状[J].电源技术，2020，44（03）：461

[2]李惠.吉维肖.曹余良.詹辉.杨汉西.艾新平.锂离子电池热失控防范技术[J].储能科学与技术，2018，7（3）：376

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