背景

模組的熱蔓延包括了以下幾個(gè)過(guò)程：電芯熱失控觸發(fā)的累積階段、電芯發(fā)生熱失控階段和電池模組中熱失控的蔓延階段。單個(gè)電芯發(fā)生熱失控釋放的熱量有限，不會(huì)造成過(guò)于嚴(yán)重的危害，但電芯發(fā)生熱失控后會(huì)迅速蔓延其周圍的電芯，相鄰的電芯會(huì)被熱失控產(chǎn)生的熱量傳遞，也發(fā)生熱失控現(xiàn)象，引發(fā)“多米諾骨牌”效應(yīng)，使得整個(gè)模組進(jìn)入整體熱失控階段，釋放巨大能量，圖1為模組熱失控試驗(yàn)后，熱蔓延無(wú)法抑制，模組起火的圖片。

電芯本體的導(dǎo)熱系數(shù)具有多向異性，在平行于卷芯方向的導(dǎo)熱系數(shù)較大，而垂直于電池卷芯方向的導(dǎo)熱系數(shù)較小。而電芯熱失控蔓延又與導(dǎo)熱系數(shù)密切相關(guān)，因此熱失控在電芯側(cè)面蔓延的速度遠(yuǎn)大于垂直于在極片上蔓延的速度。這表明，熱失控在電池模組和電芯中的蔓延可以在一定程度上視為一維傳播。且現(xiàn)在為了追求高比能量，模組中電芯的間距過(guò)小，加劇了熱蔓延的傳播。因此，抑制或者阻斷電芯熱失控在模組中的蔓延，被認(rèn)為是有效的減小熱失控危害的手段。

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模組熱失控抑制方法

常見(jiàn)的熱失控蔓延抑制方法可分為主動(dòng)抑制和被動(dòng)抑制兩大類。

主動(dòng)抑制

熱失控蔓延的主動(dòng)抑制方法大多數(shù)基于熱管理系統(tǒng)。

• 液冷管道。比如在模組底部或四周布設(shè)管道，注入冷卻液體。冷卻液的流動(dòng)能有效抑制熱失控蔓延的影響。

• 滅火管道。在模組上方安裝滅火管道，當(dāng)有電芯熱失控時(shí)，電池噴出的高溫氣體會(huì)觸發(fā)模組頂部的滅火管道。滅火管道內(nèi)的滅火劑噴出，從而抑制熱失控蔓延。

但是，依靠熱管理系統(tǒng)對(duì)熱失控蔓延進(jìn)行抑制，往往需要在模組中增加多種附件，使模組成本提高，比能量降低。而且實(shí)際發(fā)生熱失控時(shí)，熱管理系統(tǒng)在熱失控過(guò)程中存在失效可能性，無(wú)法有效抑制熱蔓延。

被動(dòng)抑制

被動(dòng)熱失控抑制方法是在電芯發(fā)生熱失控以后，將保護(hù)材料（一般有吸熱、隔熱功能）放置于模組中失控的電芯與未失控電芯之間以阻礙或阻斷熱失控的傳播。其中方形和軟包電芯通常將隔熱材料或相變材料放在電芯的側(cè)面間，而圓柱電芯則多采用特殊的隔熱支架進(jìn)行熱失控蔓延的阻隔。

通常使用的保護(hù)材料需具備以下特點(diǎn)：

1.?低導(dǎo)熱系數(shù)，這失控電芯的熱量不能在短時(shí)間內(nèi)傳遞到相鄰電芯中，相鄰電芯溫度緩慢上升，減緩熱蔓延傳播；

2.?耐高溫，避免在高溫下分解，失去阻熱能力；

3.?低密度，減少對(duì)電池包的體積比能量和質(zhì)量比能量的影響。

理想的保護(hù)材料應(yīng)該在阻止失控電芯熱量向周圍擴(kuò)散的同時(shí)還能夠吸收熱失控電芯釋放的熱量。即同時(shí)具有隔熱與吸熱功能。

保護(hù)材料分析

• 氣凝膠

氣凝膠被稱為“最輕的保溫材料”，不僅有阻熱和隔熱功能，還兼具重量輕，低密度和低導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。目前被廣泛用于電池模組中的熱失控蔓延防護(hù)。目前市面上有不同種類的氣凝膠類材料，比如二氧化硅氣凝膠、陶瓷纖維氣凝膠、玻璃纖維氣凝膠及預(yù)氧化絲氣凝膠。有文獻(xiàn)研究了不同氣凝膠隔熱層的熱蔓延抑制效果。隔熱層材質(zhì)不同對(duì)熱失控蔓延特征會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，根本原因是不同隔熱層材質(zhì)在電池發(fā)生熱失控時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)不同。而材料導(dǎo)熱系數(shù)與其自身的微觀結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系。圖2為不同材質(zhì)隔熱層燃燒前后的微觀SEM形貌。

研究表明，纖維類隔熱層雖然價(jià)格低，但熱蔓延抑制效果一般，整體不如氣凝膠類。而在氣凝膠類隔熱層中預(yù)氧化絲氣凝膠燃燒后結(jié)構(gòu)最完整，隔熱能力最強(qiáng)，其次是陶瓷纖維氣凝膠。

• 相變材料

相變材料由于其吸熱特性，在熱失控蔓延抑制上也被廣泛使用。常見(jiàn)的相變材料是石蠟，具有穩(wěn)定的相變溫度。在熱失控蔓延抑制的過(guò)程中，熱量釋放巨大且迅速，需要相變材料具有較高的吸熱效率。石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)較低的，其吸熱效率受到一定影響。為了解決這一問(wèn)題，研究者們將相變材料和其他材料結(jié)合，如加入金屬顆粒，使用金屬泡棉承載相變材料，加入石墨，碳納米管或膨脹石墨等，以此來(lái)提高相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)。且膨脹石墨還能對(duì)熱失控火焰有一定抑制。

親水聚合物體系作為一種相變材料，也被用作熱失控蔓延抑制材料。比如二氧化硅溶膠、飽和氯化鈣溶液、磷酸四乙酯、磷酸四苯酯、聚丙烯酸鈉等。

• 混合材料

僅使用隔熱材料氣凝膠，不能夠完全阻斷電芯熱失控在模組內(nèi)的蔓延。想要成功阻隔熱失控，還需要與相變材料結(jié)合。

除了使用氣凝膠+相變材料，利用材料的導(dǎo)熱系數(shù)不同，組合成各向異性的多層材料，也可抑制熱失控蔓延。比如緊挨著電芯的為導(dǎo)熱系數(shù)高的導(dǎo)熱材料，便于電芯的熱量能夠快速導(dǎo)出到外部。兩層導(dǎo)熱材料中間設(shè)置有隔熱材料，以此阻止熱失控電池的熱量向相鄰的電芯傳遞。

總結(jié)

如何有效控制電池模組熱失控蔓延是一個(gè)復(fù)雜的課題，有一些廠家雖然通過(guò)抑制方法控制模組熱失控蔓延，但苦于成本、產(chǎn)品體積/質(zhì)量能量密度等問(wèn)題，還在不斷探索新的方式方法。我們也將繼續(xù)關(guān)注行業(yè)內(nèi)的研究成果和應(yīng)用成果，提出更優(yōu)的方案。目前還沒(méi)有一種“超級(jí)材料”能完全阻斷熱失控。對(duì)熱失控蔓延抑制材料的選擇需要針對(duì)實(shí)際電池模組，電芯材料，排布結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次試驗(yàn)研究，才能得到最優(yōu)方案。