常潤(rùn)澤，鄭 斌，馮旭寧，徐成善，王淮斌，陳立鐸，王有鏜

（1.山東理工大學(xué)交通與車(chē)輛工程學(xué)院，淄博255049；2.清華大學(xué)，汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084；3.中汽研新能源汽車(chē)檢驗(yàn)中心（天津）有限公司，天津300300）

前言

《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》提出要推動(dòng)我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，加快建設(shè)汽車(chē)強(qiáng)國(guó)［1］。但是電池?zé)崾Э匾l(fā)的電動(dòng)汽車(chē)起火燃燒等安全事故，阻礙了新能源汽車(chē)的發(fā)展［2-4］?！峨妱?dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求》中提出，電池包或系統(tǒng)在由于電池?zé)崾Э匾馃釘U(kuò)散、進(jìn)而導(dǎo)致乘員艙發(fā)生危險(xiǎn)之前5 min需要提供一個(gè)報(bào)警信號(hào)，以提醒成員疏散［5-7］，這對(duì)動(dòng)力電池?zé)岚踩雷o(hù)提出了更高的要求。動(dòng)力電池使用工況復(fù)雜，其熱失控現(xiàn)象不可能完全避免，抑制甚至阻斷電池單體熱失控在模組中的蔓延，是保證車(chē)輛乘客生命財(cái)產(chǎn)安全的重要手段［8-10］。

在電池?zé)崾Э匾种品矫鎳?guó)內(nèi)外學(xué)者已做出許多探索，Yuan等［11］研究了圓柱電池填充不同間隙材料對(duì)其熱蔓延的影響，發(fā)現(xiàn)石墨復(fù)合板等作為填充材料可以有效阻斷圓柱電池?zé)崧印⒌眯堑龋?2］采用細(xì)水霧抑制了動(dòng)力電池?zé)崾Э氐膫鞑?，但采用水霧抑制熱蔓延設(shè)計(jì)復(fù)雜，滅火系統(tǒng)難以集成在純電動(dòng)汽車(chē)上。Xu等［13］設(shè)計(jì)了帶有微流道冷卻功能的熱管理系統(tǒng)，成功阻止了熱失控蔓延。清華大學(xué)的Feng等［14］基于模型仿真分析結(jié)果，選用石棉布作為電池間隔熱層，成功阻斷了熱失控的蔓延，但由于石棉布對(duì)人體危害較大，不能應(yīng)用于熱蔓延阻斷。氣凝膠被稱(chēng)為“最輕的隔熱材料”，納米纖維材料是具有良好力學(xué)性能的隔熱材料，這些材料也被用于電池模組熱蔓延阻斷［15］，但是目前缺少氣凝膠和納米纖維材料應(yīng)用于大容量電池模組熱蔓延抑制的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。

本文中選用了兩種從國(guó)內(nèi)某氣凝膠廠(chǎng)家購(gòu)買(mǎi)的氣凝膠材料（陶瓷氣凝膠和預(yù)氧化絲氣凝膠）以及從國(guó)內(nèi)某保溫材料廠(chǎng)購(gòu)買(mǎi)的一種納米玻璃纖維材料作為電池間隔熱層，進(jìn)行了模組熱蔓延實(shí)驗(yàn)?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果分析不同材料對(duì)模組熱蔓延相關(guān)特征的影響，提出了模組熱安全設(shè)計(jì)的思路和建議，以期對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池?zé)岚踩雷o(hù)設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用。

1 熱蔓延實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方案

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文中搭建的熱蔓延實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由電池模組、數(shù)據(jù)測(cè)量與采集系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)安全防護(hù)系統(tǒng)組成，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 熱蔓延實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

（1）電池模組

用于實(shí)驗(yàn)的電池模組由4節(jié)方殼電池、3片隔熱片、2塊云母板、1塊加熱器和外部銅質(zhì)夾具構(gòu)成，所述帶有隔熱層的模組爆炸圖如圖2（a）所示。模組中電池是正極配比為NCM523的三元鋰離子電池，容量50 A·h，長(zhǎng)寬高分別為150、100、26 mm，實(shí)驗(yàn)前將電池電量充至100%SOC。加熱器功率為440 W，其作用是加熱觸發(fā)電池?zé)崾Э?；云母片厚度?0 mm，其作用是將電池與銅質(zhì)夾具隔開(kāi)，防止加熱器和電池模組熱量散失；銅質(zhì)夾具作用為固定電池模組并為模組提供預(yù)緊力，保證電池與隔熱層之間緊密貼合，經(jīng)過(guò)壓力傳感器測(cè)試預(yù)緊力為1 500 N。

（2）數(shù)據(jù)測(cè)量與采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括錄像機(jī)、數(shù)據(jù)采集儀、熱電偶和電壓線(xiàn)。錄像機(jī)用于記錄電池模組熱蔓延過(guò)程的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，熱電偶和電壓線(xiàn)的作用為采集溫度和電壓信號(hào)，數(shù)據(jù)采集儀用于記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中熱電偶和電壓線(xiàn)采集的溫度和電壓信號(hào)。實(shí)驗(yàn)用數(shù)據(jù)采集器型號(hào)為HIOKI_LR8400，考慮到電池?zé)崾Э胤磻?yīng)迅速而劇烈，溫度傳感器采樣頻率設(shè)置為0.1 s。為防止溫度過(guò)高燒壞熱電偶，采用了耐高溫的K型熱電偶，并將熱電偶頭部用聚酰亞胺膠帶包裹并粘貼在如圖2（c）所示的溫度檢測(cè)點(diǎn)。圖2（c）中溫度檢測(cè)點(diǎn)均位于所標(biāo)注平面的中心位置，圖中測(cè)溫點(diǎn)編號(hào)與所在位置對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 測(cè)溫點(diǎn)編號(hào)及對(duì)應(yīng)位置

圖2 熱蔓延實(shí)驗(yàn)方案

（3）安全防護(hù)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)安全防護(hù)系統(tǒng)由防爆箱、排風(fēng)裝置、噴淋裝置和隔熱裝置組成。防爆箱和噴淋裝置作用是在模組失控劇烈時(shí)及時(shí)撲滅火焰，保護(hù)實(shí)驗(yàn)室安全；排風(fēng)裝置作用是及時(shí)抽走熱失控釋放出的煙氣，防止煙氣遮擋錄像機(jī)鏡頭；隔熱裝置材質(zhì)為氣凝膠，目的是防止模組在熱蔓延過(guò)程中熱量通過(guò)模組底部的金屬板向周?chē)鷤鬟f，保證實(shí)驗(yàn)一致性。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用控制變量的方法，改變模組中電池與電池之間隔熱層的材質(zhì)，分別選用納米玻璃纖維、陶瓷氣凝膠和預(yù)氧化絲氣凝膠，進(jìn)行了3組熱蔓延抑制實(shí)驗(yàn)。

此外，引入Wang等［16］完成的無(wú)隔熱層電池模組的熱蔓延實(shí)驗(yàn)作為對(duì)照，其使用的無(wú)隔熱層電池模組中的4電池緊密排列且電池型號(hào)與本文中使用的電池相同，圖2（b）為無(wú)隔熱層電池模組的爆炸圖，圖2（d）為該實(shí)驗(yàn)測(cè)溫點(diǎn)的位置與測(cè)溫點(diǎn)的編號(hào)。本文電池模組中隔熱層的材質(zhì)及其參數(shù)如表2所示。

表2 隔熱層材質(zhì)與參數(shù)

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，開(kāi)啟加熱器加熱Cell1，當(dāng)Cell1發(fā)生熱失控時(shí)迅速關(guān)閉加熱器。隨后，熱失控將依次由Cell1順序蔓延至Cell4，此過(guò)程中由數(shù)據(jù)采集儀和錄像設(shè)備記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和電池模組熱蔓延過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)中，電池觸發(fā)熱失控的判定條件為電池前表面溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫升速率dT/dt≥1℃/s，持續(xù)3 s以上，模組中Cell1~Cell4發(fā)生熱失控時(shí)刻依次由ton，1~ton，4表示。

進(jìn)一步地，可以利用式（1）來(lái)定義實(shí)驗(yàn)中熱失控蔓延的時(shí)間間隔。

式中Di，i+1為第i節(jié)電池到第i+1節(jié)電池?zé)崾Э芈拥臅r(shí)間間隔，s。

電池模組完全熱蔓延時(shí)長(zhǎng)D用式（2）計(jì)算，電池模組中各節(jié)電池平均蔓延時(shí)長(zhǎng)-D用式（3）計(jì)算，k為模組中包含的電池節(jié)數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 熱蔓延時(shí)間特征

熱蔓延的時(shí)間特征是電池模組熱安全性重要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［2］。圖3為采用不同類(lèi)型隔熱層的電池模組的熱蔓延時(shí)間特征，圖中標(biāo)注為Heat的圖例表示加熱器加熱Cell1使其發(fā)生熱失控的時(shí)長(zhǎng)。

由圖3可知，無(wú)隔熱層時(shí)電池模組（4號(hào)實(shí)驗(yàn)）的熱失控速度很快，各節(jié)電池平均熱蔓延時(shí)長(zhǎng)僅為44.6 s，模組完全熱蔓延時(shí)長(zhǎng)為134 s。當(dāng)電池之間設(shè)置納米玻璃纖維隔熱層（1號(hào)實(shí)驗(yàn)）時(shí)，電池模組的熱失控被有效抑制，各節(jié)電池平均蔓延時(shí)長(zhǎng)為373 s，整個(gè)模組完全熱蔓延時(shí)長(zhǎng)1 121 s，各節(jié)電池平均熱蔓延時(shí)長(zhǎng)較無(wú)隔熱層模組增加了836%。當(dāng)隔熱層設(shè)置為陶瓷氣凝膠（2號(hào)實(shí)驗(yàn)）時(shí)，電池模組的熱蔓延用時(shí)進(jìn)一步延長(zhǎng)，各節(jié)電池平均熱蔓延時(shí)長(zhǎng)為756 s，整個(gè)模組完全熱蔓延時(shí)長(zhǎng)2 269 s，模組各節(jié)電池平均熱蔓延時(shí)長(zhǎng)較納米玻璃纖維增加了202%。當(dāng)隔熱層設(shè)置為預(yù)氧化絲氣凝膠（3號(hào)實(shí)驗(yàn)）時(shí)，其對(duì)電池模組的熱失控抑制效果繼續(xù)增強(qiáng)，各節(jié)電池?zé)崧悠骄脮r(shí)延長(zhǎng)至1 045 s，整個(gè)模組完全熱蔓延時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)至3 137 s，模組各節(jié)電池平均熱蔓延時(shí)長(zhǎng)較納米玻璃纖維增加了279%。

圖3 不同隔熱層熱蔓延時(shí)間

整體對(duì)比有隔熱層電池模組（1~3號(hào)實(shí)驗(yàn)）與無(wú)隔熱層電池模組（4號(hào)實(shí)驗(yàn)）的熱蔓延時(shí)間可知，具有隔熱層的電池模組其各節(jié)電池平均熱蔓延時(shí)長(zhǎng)和模組整體熱蔓延時(shí)長(zhǎng)長(zhǎng)于無(wú)隔熱層的電池模組。這是因?yàn)楦魺釋釉黾恿穗姵刂g的熱阻，減緩了失控電池向其相鄰電池的熱量傳遞，使得其相鄰電池的溫度上升相對(duì)緩慢。但是模組中的隔熱層僅具有延緩熱量傳遞的作用，并不能減少兩節(jié)電池之間的熱量傳遞，相鄰電池的溫度仍會(huì)不斷上升，最終發(fā)生熱失控。因此使用隔熱層的電池模組還不能完全阻斷熱失控的蔓延。

將使用納米玻璃纖維隔熱層的模組（1號(hào)實(shí)驗(yàn)）與使用氣凝膠類(lèi)隔熱層的電池模組（2號(hào)實(shí)驗(yàn)、3號(hào)實(shí)驗(yàn)）對(duì)比可知，氣凝膠類(lèi)材料熱蔓延抑制效果優(yōu)于納米纖維材料。這是因?yàn)榧{米玻璃纖維耐高溫性能較差，在高溫環(huán)境出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，纖維結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致其熱阻下降；而氣凝膠材料中的增強(qiáng)纖維具有較好的力學(xué)性能和耐高溫性能，能夠在電池發(fā)生熱失控時(shí)保持纖維結(jié)構(gòu)，因此其熱阻也相對(duì)較高。

圖3 中使用預(yù)氧化絲氣凝膠的電池模組熱蔓延時(shí)間比使用陶瓷氣凝膠的電池模組增加了138%，可見(jiàn)預(yù)氧化絲氣凝膠材料熱蔓延抑制效果優(yōu)于陶瓷纖維氣凝膠材料。

2.2 熱蔓延溫度特征

熱蔓延的溫度特征也是評(píng)價(jià)動(dòng)力電池?zé)岚踩闹匾笜?biāo)［2］。圖4為熱蔓延實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用不同隔熱層模組的溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。由于對(duì)照實(shí)驗(yàn)所用電池模組電池與電池之間沒(méi)有隔熱層，因此1B與2F、2B與3F、3B與4F溫度曲線(xiàn)重合。

對(duì)比圖4中納米玻璃纖維（1號(hào)實(shí)驗(yàn)）與氣凝膠類(lèi)材料（2號(hào)實(shí)驗(yàn)、3號(hào)實(shí)驗(yàn)）溫度曲線(xiàn)，電池模組熱蔓延溫度曲線(xiàn)呈現(xiàn)出兩種截然不同的趨勢(shì)。由于電池?zé)崾Э馗邷厍闆r下，兩類(lèi)材料導(dǎo)熱系數(shù)不同，當(dāng)熱失控發(fā)生時(shí)，纖維類(lèi)隔熱層后表面（未失控電池前表面）溫度迅速上升至250℃后溫升速率下降，呈現(xiàn)出拋物線(xiàn)狀的升溫趨勢(shì)，如圖4（a）中2F、3F、4F曲線(xiàn)所示；而氣凝膠類(lèi)隔熱層后表面（未失控電池前表面）溫度先迅速上升至250℃附近，隨后溫度停止上升并緩慢下降，如圖4（b）中2F、3F、4F曲線(xiàn)所示。由此可見(jiàn)氣凝膠類(lèi)材料抑制失控電池?zé)崃總鬟f的效果優(yōu)于納米纖維類(lèi)材料。

圖4 不同隔熱層模組熱蔓延溫度特征

使用氣凝膠隔熱層的實(shí)驗(yàn)中Cell2~Cell4電池在其前表面溫度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的情況下仍然發(fā)生了熱失控。這是因?yàn)槠淝氨砻鏈囟入m然呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但此溫度數(shù)值已經(jīng)超過(guò)了電池的自產(chǎn)熱溫度，電池內(nèi)部已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生一系列緩慢的放熱反應(yīng)。因此其內(nèi)部溫度仍持續(xù)上升，一段時(shí)間后電池內(nèi)部溫度達(dá)到熱失控臨界溫度，電池發(fā)生熱失控。電池前表面溫度表現(xiàn)出緩慢的下降狀態(tài)是因?yàn)榉綒る姵氐匿X制殼體較強(qiáng)的導(dǎo)熱性能使得其前表面的熱量能夠快速的傳遞到鋁殼的其他位置。

圖5 為4次實(shí)驗(yàn)中各節(jié)電池上的測(cè)溫點(diǎn)在熱蔓延過(guò)程中的最高溫度。對(duì)比圖中不同模組熱蔓延過(guò)程中的最高溫度可知，在電池之間添加隔熱層具有降低電池?zé)崾Э刈罡邷囟鹊淖饔谩?/p>

圖5 各模組熱蔓延最高溫度分布

由圖5可知，不同模組中各節(jié)電池的最高溫度幾乎都出現(xiàn)在電池前表面，這是因?yàn)殡姵厍氨砻婕仁艿角耙还?jié)失控電池側(cè)向加熱（或加熱器側(cè)向加熱）又受到其自身熱失控釋放出的熱量的影響。而使用隔熱層的各個(gè)模組中的各節(jié)電池最高溫度相差無(wú)幾，可見(jiàn)改變模組中隔熱層的材質(zhì)對(duì)該模組在熱蔓延過(guò)程中的最高溫度并無(wú)明顯影響。

2.3 熱蔓延電壓特征

熱蔓延過(guò)程中各節(jié)電池電壓隨時(shí)間變化如圖6所示，圖中U1~U4為各個(gè)實(shí)驗(yàn)中Cell1~Cell4的電壓數(shù)值。由圖6可知，當(dāng)電池發(fā)生熱失控時(shí)其電壓會(huì)迅速由4.2 V降至0，是否添加隔熱層對(duì)其電壓下降趨勢(shì)并沒(méi)有明顯影響。

圖6 不同隔熱層模組熱蔓延電壓特征

2.4 熱蔓延噴閥特征

圖7 為無(wú)隔熱層模組（4號(hào)實(shí)驗(yàn)）各節(jié)電池?zé)崾Э貒婇y時(shí)的狀態(tài)，無(wú)隔熱層的電池模組中各節(jié)電池發(fā)生熱失控時(shí)，其泄壓閥閥口噴發(fā)出強(qiáng)烈的火焰，且噴發(fā)結(jié)束后電池表面出現(xiàn)著火現(xiàn)象。

圖7 無(wú)隔熱層模組熱蔓延噴閥

圖8 和圖9分別為使用納米玻璃纖維隔熱層模組（1號(hào)實(shí)驗(yàn)）和使用陶瓷氣凝膠隔熱層模組（2號(hào)實(shí)驗(yàn)）各節(jié)電池?zé)崾Э貒婇y和噴閥之后的圖片。對(duì)比兩組圖片可以發(fā)現(xiàn)，兩次實(shí)驗(yàn)中電池發(fā)生熱失控時(shí)均是先噴發(fā)出大量的火星，噴發(fā)結(jié)束后冒出大量白煙或出現(xiàn)短暫的著火現(xiàn)象，并沒(méi)有出現(xiàn)大規(guī)模且劇烈的著火現(xiàn)象。

圖8 使用納米玻璃纖維隔熱層模組熱蔓延噴閥與冒煙現(xiàn)象

圖9 使用陶瓷氣凝膠隔熱層模組熱蔓延噴閥與冒煙現(xiàn)象

圖8 和圖9中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明采用不同類(lèi)型隔熱材料的模組，其熱蔓延過(guò)程的噴閥現(xiàn)象并無(wú)太大差別。綜合對(duì)比圖7與圖8、圖9中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，添加隔熱層可以在一定程度上防止熱蔓延過(guò)程中電池的噴發(fā)著火現(xiàn)象。

3 隔熱材料微觀(guān)SEM形貌

前文提到，隔熱層材質(zhì)不同對(duì)動(dòng)力電池?zé)崾Э芈犹卣鲿?huì)產(chǎn)生不同程度的影響，其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(guān)結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系，圖10為模組中所用不同材質(zhì)隔熱層的微觀(guān)SEM形貌。

圖10 （a）中納米玻璃纖維放大倍數(shù)為500倍，其纖維直徑有粗有細(xì)，且纖維在空間中縱橫交錯(cuò)分布；圖10（b）中陶瓷氣凝膠放大倍數(shù)也為500倍，其纖維與纖維之間由大量氣凝膠填充；圖10（c）中預(yù)氧化絲氣凝膠放大倍數(shù)為200倍，其纖維較長(zhǎng)，粗細(xì)均勻且纖維之間間隙較大，纖維之間填充有少量氣凝膠顆粒。

圖10 實(shí)驗(yàn)前隔熱材料SEM形貌

為探究熱蔓延過(guò)程對(duì)模組中隔熱層材質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響，對(duì)各模組實(shí)驗(yàn)后的隔熱層取其內(nèi)部未污染部分觀(guān)察其SEM微觀(guān)形貌，圖11為實(shí)驗(yàn)后模組中所用不同材質(zhì)隔熱層的微觀(guān)SEM形貌。

圖11 （a）中納米玻璃纖維分布明顯較實(shí)驗(yàn)前更加密集，使得纖維之間固體傳熱量增加，此外圖11（a）中還有少量熔滴分布，說(shuō)明熱蔓延過(guò)程中部分纖維已開(kāi)始融化，空間結(jié)構(gòu)受到高溫和壓力的破壞，其隔熱性受影響較大。圖11（b）為陶瓷氣凝膠，其纖維上的凝膠已明顯因高溫融化，但其纖維仍保持一定空間結(jié)構(gòu)，由此推測(cè)該材料仍具有一定隔熱性能。實(shí)驗(yàn)后的預(yù)氧化絲氣凝膠為圖11（c），其微觀(guān)形貌與實(shí)驗(yàn)前相差不大，這表明預(yù)氧化絲氣凝膠在熱蔓延過(guò)程中并未發(fā)生明顯的變形或融化現(xiàn)象，因此其在熱蔓延過(guò)程中仍保持較強(qiáng)的隔熱能力。

圖11 實(shí)驗(yàn)后隔熱材料SEM形貌

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其他熱蔓延隔熱抑制方案的綜合對(duì)比與分析

對(duì)于電池材料體系及容量與本文相同的模組熱蔓延隔熱抑制方案，采用由式（3）計(jì)算的各節(jié)電池的平均蔓延時(shí)長(zhǎng)-D來(lái)比較；對(duì)于體系或容量與本文實(shí)驗(yàn)所用電池不同的方案，則比較該方案基于無(wú)隔熱層模組熱蔓延的改善程度。

4.1 不同隔熱材料的對(duì)比

齊創(chuàng)等［18］采用與本文相同體系及容量的電池，并采用陶瓷纖維紙作為隔熱層進(jìn)行了模組熱蔓延實(shí)驗(yàn)，還進(jìn)一步建模與仿真計(jì)算了隔熱層為云母和硅膠的模組熱蔓延情況。圖12為不同熱蔓延隔熱抑制方案的對(duì)比圖。由圖可知，本文的這3種隔熱材料對(duì)模組熱蔓延的改善程度均優(yōu)于文獻(xiàn)［18］中列舉的3種隔熱材料。圖12中的6種隔熱材料中氣凝膠類(lèi)材料的熱蔓延抑制效果較好，但其生產(chǎn)成本較高，想要大批量應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)模組中需要進(jìn)一步降低成本；納米玻璃纖維、云母片、陶瓷纖維紙等生產(chǎn)成本低，但熱蔓延抑制效果一般；硅膠隔熱性能較差，不適合用于熱蔓延抑制。

圖12 不同熱蔓延隔熱抑制方案對(duì)比

4.2 不同隔熱方案的對(duì)比

李煌［19］用38 A·h的三元鋰離子電池組成模組，探究了聚氨酯和環(huán)氧樹(shù)脂兩種隔熱涂料噴涂對(duì)熱失控在模組中蔓延的抑制作用，發(fā)現(xiàn)采用聚氨酯涂料和采用環(huán)氧樹(shù)脂涂料的模組其熱蔓延總時(shí)長(zhǎng)相比無(wú)隔熱層方案分別延長(zhǎng)了121.8%和276.1%。與圖3中數(shù)據(jù)對(duì)比可知，本文中提到的在模組中添加隔熱層的熱蔓延抑制方案明顯優(yōu)于上述隔熱涂料噴涂的方案。同時(shí)，使用隔熱涂料噴涂的方式抑制熱蔓延其噴涂過(guò)程操作難度較大，實(shí)用性較差。

5 結(jié)論

采用控制變量的方法，對(duì)具有不同隔熱層材質(zhì)的電池模組進(jìn)行了熱蔓延實(shí)驗(yàn)，從不同角度對(duì)比分析了不同隔熱層對(duì)模組熱蔓延的影響，最后觀(guān)察了不同隔熱材質(zhì)的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，結(jié)論如下。

（1）模組中加入隔熱層具有延長(zhǎng)電池?zé)崾Э芈訒r(shí)間、降低模組中電池?zé)崾Э刈罡邷囟群头乐闺姵厥Э貒婇y時(shí)著火的作用。

（2）不同材質(zhì)隔熱層對(duì)模組熱蔓延時(shí)間特征有不同的影響。使用納米玻璃纖維隔熱層時(shí)，模組內(nèi)電池平均熱蔓延時(shí)長(zhǎng)為373 s，其熱蔓延時(shí)長(zhǎng)較無(wú)隔熱層的模組延長(zhǎng)了836%；當(dāng)使用陶瓷氣凝膠隔熱層時(shí)模組熱蔓延抑制效果增強(qiáng)，其平均熱蔓延用時(shí)是使用玻璃纖維模組的202%，達(dá)到756 s；當(dāng)使用預(yù)氧化絲氣凝膠隔熱層時(shí)，模組的熱蔓延抑制效果進(jìn)一步增強(qiáng)，熱蔓延用時(shí)是使用納米玻璃纖維模組的279%，達(dá)到1 045 s。

（3）納米纖維類(lèi)隔熱層與氣凝膠類(lèi)隔熱層導(dǎo)熱系數(shù)不同，這使使用不同材質(zhì)隔熱層的模組熱蔓延過(guò)程的溫度特性不同。當(dāng)發(fā)生熱失控時(shí)，納米玻璃纖維隔熱層背面（未失控電池前表面）溫度迅速上升至250℃后，溫升速率降低，溫度呈拋物線(xiàn)狀上升；而氣凝膠材質(zhì)隔熱層背面（未失控電池前表面）溫度在上升到250℃后停止上升且出現(xiàn)緩慢的下降。

（4）使用不同材質(zhì)隔熱材料對(duì)模組熱蔓延過(guò)程的噴閥現(xiàn)象和熱蔓延過(guò)程電池的最高溫度沒(méi)有明顯影響。

（5）是否使用隔熱層及所使用隔熱層的材質(zhì)對(duì)模組熱蔓延過(guò)程中電壓下降趨勢(shì)無(wú)明顯影響。