车用锂电池热失控特性及其控制方法分析

摘 要：随着电动汽车的普及，锂电池的安全问题特别是热失控现象变得日益重要。本文对热失控特性及其控制方法展开研究。分析了热失控的多种诱因，如电化学问题、机械和电气故障，并探讨了它们对电池热行为的影响。文章还描述了热失控从起始到最终阶段的过程，包括温度升高、化学反应失控，以及可能导致的燃烧或爆炸。此外，综合评述了热失控检测与防控技术的研究进展，如优化热管理系统、完善电池管理系统（BMS）和使用新型隔热材料。最后，展望了未来发展方向，总结了研究成果，并提出了未来研究的建议和改进方向，以促进该领域的发展。

关键词：锂电池 热失控 控制方法 电池管理系统 液冷系统

随着全球能源转型和环保压力增加，新能源汽车日益重要，锂电池因其优势成为电动车核心。但锂电池存在一定的热失控风险，理解并控制车用锂电池热失控特性对提升电动车安全至关重要。

锂离子电池发展始于1970年代，基于早期电池技术。经年累月，通过材料、结构改进，电池性能提升，形成液态和凝聚态两种主要类型，支持了便携电子设备对电动车的能源需求。

新能源汽车行业快速扩张，受减排需求和政策推动，销量上升。政府和厂商通过补贴、基建、法规及技术研发促进市场增长。锂离子电池技术进一步提高了电动车续航，缩短充电时间，尽管面临充电设施、电池回收等挑战，行业前景仍被看好，将继续推动汽车行业发展。

1 锂电池热失控原因分析

1.1 锂离子电池

锂离子电池由正极、负极、电解液和隔膜四部分组成。正极包含材料、导电剂、粘合剂和集流体；负极通常用石墨等碳材料，充电时储存锂离子；电解液是有机溶剂、锂盐和添加剂的混合物，作为锂离子传输介质；隔膜是微孔绝缘材料，防止正负极短路。工作原理基于锂离子在正负极间的移动，放电时锂离子从负极经电解液移至正极，充电时则相反，从而存储和释放能量。

1.2 热失控现象

随着锂离子电池在现代电子设备和电动汽车中的广泛应用，其安全性问题尤为重要。在所有潜在的安全风险中，热失控事件因其可能导致灾难性后果而备受关注。锂离子电池的热失控是一种复杂的现象，涉及多种化学反应和物理过程，并且常常导致火灾或爆炸。理解引发这一现象的原因对于确保锂离子电池的安全运行至关重要。

1.3 机械滥用

机械滥用是锂电池热失控的关键因素，可能导致内部结构损坏、隔膜破裂和内部短路，引发异常电流和局部过热。若未加控制可能引发连锁反应导致热失控。此外，机械滥用还可能损坏电池外壳，导致电解质泄漏，加剧热效应并增加热失控风险，同时影响电气性能。为防热失控，需采取安全措施和设计标准，确保电池不受机械冲击变形或破坏[5-6]。

1.3.1 机械滥用的热失控诱因及机理

机械滥用如挤压、针刺和碰撞会引发电池热失控。挤压破坏内部结构，导致正负极间接触产生内短路，进而放电产热。温度升高后，固体电解质界面膜分解进一步产热，隔膜溶解无法阻止温度上升。达到180度以上时，电解液和正极材料分解产气，导致电池膨胀，最终引发热失控。

在隔膜材料中，垂直机械方向的抗拉能力较弱，应加强此方向的抗拉能力。实验显示[9]，氧化铝/聚乙烯/氧化铝双面陶瓷隔膜的抗拉能力和电池安全性较高。此外，机械滥用还可能导致电解液泄漏，侵蚀元件或引发火灾。

1.3.2 机械滥用热失控特性

机械滥用热失控的特性包括局部剧烈升温，热量积累及蔓延，最终导致起火或爆炸。在电池组中，如果有单体电池因为机械滥用等原因发生了局部剧烈升温，这个热量的积累会导致该单体电池温度迅速上升。高温单体电池不仅本身存在安全隐患，还可能引发周围其他单体电池也发生热失控，造成热失控现象在整个电池组内部扩散，增加了安全风险。除了由于机械滥用导致的过热以外，如果电池的连接部件出现松动也可能会造成局部电阻增大，从而引发局部过热。

1.4 电滥用

锂电池的热失控通常是由内部电化学反应失控引起的，这通常涉及电池的过充电、过放电和内外短路。当电池充电或放电超过其设计的电压或容量限制时，可能会引发电池内部的副反应，导致内部局部电芯过热，从而触发热失控。此外，如果电池内部的隔膜损坏或者电极材料的脱落可能导致正负极直接接触，形成内部短路，也是热失控的常见原因之一。内部短路会引发局部高温，进而触发链式反应，导致热失控。

电滥用的热失控诱因及热失控特性：电滥用导致的热失控主要有内部短路、外部短路、过充电和过放电等原因。内部短路常由隔膜损坏或电极材料脱落引发，导致局部高温并触发链式反应。外部短路则由正负极意外直接连接引起，电流剧增，温度上升。过充电发生在电池超过额定电压或容量时，可能因电池管理系统失控、充电环境异常或电池老化不一致引起[11]，导致内部压力增大，温度升高，可能引发热失控。过放电在电量过低时继续放电，会破坏化学平衡，损坏电池结构，增加热失控风险。

1.5 热滥用

热滥用的热失控诱因：热滥用导致的锂电池热失控是在过热环境下，电池局部剧烈升温。温度超限可能引发化学反应，使内部温度和压力急剧上升。一旦单个电池单元热失控，可能引发连锁反应，影响整个电池组的安全。为预防热失控，研究人员正在开发基于多维传感信号融合的预警技术，通过监测热、电、机械和气体等特征信号，准确掌握电池安全状态，实现早期预警。确保电池使用安全需技术创新与管理措施相结合。

1.6 BMS（电池管理系统）失效

BMS失效导致的锂电池热失控通常涉及电池管理系统无法正常监测和控制电池的电压、温度等关键参数，从而导致电池内部的化学反应失控。具体来说，当电芯隔膜开始大量溶解，电池内部发生大规模内短路时，电压会急剧下降，这是热失控已经无法遏制的一个明显信号。在这个过程中，电芯端电压是一个可检测的电气参数，但当前的BMS系统只能精确采集到每一个串联模组的电压，而无法对每一个电芯进行实时监控[7]。

2 锂电池热失控发展过程

2.1 热失控的诱发阶段

锂电池热失控发展过程中的诱发阶段是一个复杂的过程，涉及电池内部化学反应和外部因素的影响。在这个阶段，电池内部可能会因为各种原因产生热量，这些原因包括制造缺陷、外部损伤如挤压或针刺等机械诱因。当电池内部的温度逐渐升高，达到50℃至140℃的范围时，电池进入自生热阶段。

在这个阶段，如果电池内部的热量无法有效散发，或者由于外部热源的影响导致电池温度继续上升，可能会引发更严重的化学反应。这些反应遵循链式反应的机制，一个接一个地发生，导致电池内部温度迅速升高。同时，电池表面还会通过热传导、热对流和热辐射的方式与外部环境换热。

2.2 热失控的发展阶段

锂电池热失控的发展阶段是整个热失控过程中最为关键的部分，这一阶段的特征是温度的迅速上升和化学反应的加速。在自生热阶段，随着温度的上升，SEI膜（固态电解质界面膜）开始溶解，这通常发生在90℃左右。SEI膜的溶解使得负极材料及其中的嵌锂碳直接暴露在电解液中，随后嵌锂碳与电解液发生放热反应，导致温度进一步升高。这个放热反应又促进了SEI膜的进一步分解，形成了一个恶性循环，直至SEI膜完全分解。

当温度超过140℃时，电池进入热失控阶段。此时，正负极材料都参与到电化学反应中，反应物质量的增加使得温度的提升速度更快。这个阶段的反应是剧烈的，并且伴随着大量的热量释放，可能导致电池结构的损坏，如隔膜融化等。这个过程的温度范围是140℃至850℃。

2.3 热失控的失控阶段

锂电池热失控发展过程中的失控阶段是整个热失控过程中最为危险的环节。在这一阶段，电池内部的反应变得非常剧烈，温度迅速升高，可能引发一系列严重的后果。

当电池温度超过140℃时，SEI膜（固态电解质界面膜）会开始分解，释放出热量和气体，如CO2。随着温度的继续上升，隔膜开始融化，这通常发生在140℃左右。隔膜的融化可能导致电池内部发生内短路，进一步加剧了温度的上升，电池的正极材料会在这时发生分解反应，释放大量的热量和氧气。

在这个阶段，电池内部的化学反应遵循链式反应的机制，即一个反应引发另一个反应，形成一个恶性循环。这些反应包括电解液的分解、粘结剂的分解等，都会释放出大量的热量和气体。这个过程的温度范围是140℃至850℃。

2.4 热失控的灾害阶段

锂离子电池热失控的灾害阶段通常涉及一系列复杂的化学反应和物理过程，这些过程相互作用，导致电池温度迅速升高，最终可能引发火灾或爆炸。

当电池温度达到一定水平时，电池内部的化学反应会进入一种失控状态，这就是所谓的“热失控”。在这个状态下，电池内部的化学反应会以极快的速度进行，产生大量的热量和气体。这些热量和气体会导致电池内部压力迅速升高，电池发生大规模内短路，最终可能导致电池壳体破裂、起火或爆炸。

一旦热失控事件发生，即使电池温度重新降至正常水平，电池的性能也可能已经严重受损，无法继续使用。因此，了解热失控的机制以及如何预防和控制热失控的发生对于确保锂离子电池的安全性至关重要。

2.5 热失控链式反应机制

锂离子电池热失控的链式反应机制通常涉及多个阶段，包括化学反应产热、活性物质分解、温度升高和内短路等。通常是由机械滥用导致锂离子电池出现内部短路或外部短路，进而导致锂离子电池电滥用，电滥用大量产热且热量没能得到及时地散出，然后致使热滥用的发生，最后使得锂离子电池发生热失控，主要现象为冒烟、起火、爆炸等。

3 锂电池热失控控制技术的发展

3.1 锂电池液冷散热

应对锂电池热失控的冷却方法包括空气冷却、热管冷却、相变冷却、液体冷却等冷却方法，但各自都存在换热效率低、环境和温度适应性差、成本高导热系数低等缺点，而随着电池能量密度技术的提升与对散热能力的需求提高，液体冷却技术愈发重要。其中最高效的一种则是浸没式液冷，把电池浸泡在非导电的电解质中，直接接触冷却液，让电池各面受热一致，温度保持均匀。优点还包括稳定安静、节约能源与空间等。对于冷却液则有沸点高、低黏度、不易挥发和兼容性好等要求，以确保系统稳定进行。氢氟醚是其中一种常见的良好介质，如3M公司的Novec系列产品，在单相浸没式液冷中得到广泛应用。

浸没式液冷是电池热管理技术的主要领域之一，目前世界范围已进行了大量研究，但对于不同类型的浸没式液冷的评价准则仍未完善。评估需要考虑诸如温度、配件质量比例、成本等指标，并且不能忽视对电池安全和寿命的影响。

3.2 BMS（电池管理系统）优化设计

优化BMS设计需考虑硬件精度、软件功能、结构布局、系统集成和环境适应性，确保电池高效安全运行。硬件要精确采集数据，软件监控电池状态，结构设计合理，系统集成紧密，环境适应性强。同时，考虑成本效益、法规遵从性和易于更新，以提升性能、保障安全并延长电池寿命，提供更好的用户体验。

软件方面，用合适算法监控电池状态，解决电芯不一致性，支持模块化架构。结构方面，结构设计应标准化、可维护，优化空间布局和系统集成，提高可靠性和适应性。系统集成确保BMS与车辆其他系统紧密协调。要求环境适应性强，稳定运行于各种条件。考虑成本效益，保持市场竞争力。符合法规，便于维护更新。这些优化提升性能、保障安全、延长寿命，改善用户体验[7]。

3.3 探索安全材料

优化电池性能与安全性主要通过材料创新和技术改进实现。研究新电池材料如硅负极，提升储能力；改善材料结构，加快充电速度；改良电解液成分，提高低温活性，减少内阻，提升充放电效率与安全性。

在优化过程中，计算机辅助工程（CAE）模拟电池电化学和热力学过程，帮助理解内部反应，优化设计。3D打印技术制造关键材料和结构，增加制造灵活性，提升传输能力和动力学。

多尺度仿真技术从原子到组件分析性能，指导材料选择。整合设计制造信息，全流程优化。云计算提高计算效率，加速开发测试。精确模型和数值模拟预测性能，指导实验方向。结合实验室研究和生产经验，积累数据知识，形成系统优化方法。

综合多学科技术方法，科研人员、工程师和制造者共同推动电池性能提升。通过这些措施，提高电池能量密度、充放电速度、寿命和安全性，满足现代需求。

4 结论

本文审视了车用锂电池的热失控特性及其控制方法。通过深入探讨了电池热失控的多种原因，并评估目前用于预防和控制热失控的策略和技术，包括电池管理系统（BMS）的优化、热管理系统的设计、材料的改进以及安全阀的使用。从这些研究中可以看出，尽管在理解与处理锂电池热失控方面已经取得了重要进展，但安全性和高能量密度之间的平衡仍是一个持续的挑战。当前的控制策略还需要进一步提高其预测能力和响应速度，以便在实际运行中有效地预防或减轻热失控事件的影响。

未来工作应聚焦关键领域：

（1）发展高精度监测技术，用先进传感器和机器学习算法及时检测电池状态。

（2）合作开发新材料，具备高热稳定性和低化学反应活性，设计有效控制热传播的结构。

（3）完善热管理系统，保持适宜温度，考虑新的能量消散技术。

（4）制定严格安全标准和测试程序，通过跨学科合作提供全方位安全保障。

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