申錫江，段強(qiáng)領(lǐng)，秦 鵬，王青松，孫金華

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230031）

作為綠色能源的重要儲(chǔ)存載體，鋰離子電池因其高電壓、高比能量、長循環(huán)壽命等卓越性能，在電化學(xué)儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是助力實(shí)現(xiàn)國家“雙碳”目標(biāo)的有效途徑[1]。在國內(nèi)儲(chǔ)能、新能源汽車等蓬勃發(fā)展的背景下，鋰離子電池需求量將持續(xù)增大[2]。然而，近年來由鋰離子電池?zé)崾Э匾l(fā)的電池系統(tǒng)火災(zāi)爆炸事故頻繁發(fā)生，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注，是公共安全面臨的新問題，已成為新能源汽車、儲(chǔ)能等行業(yè)發(fā)展的痛點(diǎn)和技術(shù)瓶頸[3]。在電池系統(tǒng)中，鋰離子電池密集排布，單一電池發(fā)生熱失控后，則會(huì)引發(fā)整個(gè)電池組內(nèi)發(fā)生連鎖反應(yīng)和熱失控傳播，造成嚴(yán)重?zé)岚踩鹿?。因此，針對鋰離子電池成組使用過程中面臨的安全問題，亟需開展鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑バ袨榧捌錈嶙韪艏夹g(shù)的研究，從而為電池系統(tǒng)火災(zāi)防控提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

國內(nèi)外學(xué)者研究總結(jié)出誘發(fā)鋰離子電池?zé)崾Э氐闹饕蛩匕C(jī)械濫用(針刺、擠壓等)、熱濫用(溫度過高等)和電濫用(外短路、過充電、過放電等)[4-5]。單一電芯的熱失控過程可以歸納為電芯內(nèi)部化學(xué)能向熱能的迅速轉(zhuǎn)變，當(dāng)電芯內(nèi)部化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過熱能逸散至環(huán)境中的速率時(shí)，電芯內(nèi)部溫度迅速上升，則引發(fā)電芯最終走向熱失控，并伴隨射流、火災(zāi)、爆炸等現(xiàn)象的出現(xiàn)。已有研究發(fā)現(xiàn)電池體系材料、電池容量和荷電狀態(tài)(SOC)是影響電池?zé)崾Э匦袨榈年P(guān)鍵因素[6]。電池組內(nèi)熱失控的傳播通常首先由熱失控電池向毗鄰電池進(jìn)行熱傳導(dǎo)、熱輻射及熱對流等多種形式的熱傳遞，當(dāng)毗鄰電池吸收過多熱量，滿足其熱失控條件時(shí)，則出現(xiàn)熱失控傳播行為。由此可知，在電池間建立一道熱阻隔屏障，阻止熱失控電池散發(fā)的熱量向毗鄰電池傳遞，是抑制熱失控傳播的有效手段[7-8]。

為實(shí)現(xiàn)電池間的熱失控阻隔，通常采用在電池間設(shè)置空氣間隙或填充阻燃材料的方法，以此阻止熱量從上游熱失控電池向下游的傳遞。Zhong 等[9]對18650電池組采用電加熱棒觸發(fā)熱失控，并研究加熱功率和電池間距對熱失控傳播行為的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明增大加熱功率對相鄰電池間的熱失控傳播用時(shí)影響較小，且在電池間設(shè)置4 mm間距能夠有效阻止熱失控傳播。Lopez 等[10]研究了電池間距和連接方式等電池模塊設(shè)計(jì)參數(shù)對熱失控傳播的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電池間距增加后，電池溫度和電壓損失均下降，為盡量減小熱失控傳播和電池模塊損壞的可能性，電池間的最小間距應(yīng)不小于2 mm。但僅通過設(shè)置空氣間隙阻隔熱失控傳播將造成電池組能量密度低的缺陷，且無法阻隔電池?zé)崾Э仄陂g的射流火。Wilke等[11]使用相變材料(phase change material，PCM)來阻隔穿刺導(dǎo)致的熱失控傳播，對于臨近熱失控電池的單元，采用PCM 后溫度由189 ℃下降到了109 ℃。Weng 等[12]開發(fā)并研究了含有阻燃添加劑的復(fù)合PCM，阻燃添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時(shí)則PCM 的冷卻性能會(huì)有所降低，但對于阻隔熱失控有更大的幫助。Weng等[13]研究了PCM和氣凝膠組合后的散熱及隔熱能力，結(jié)果表明，PCM 能夠起到熄滅火焰的作用，但會(huì)導(dǎo)致熱失控傳播過程加速，氣凝膠的加入則能有效延緩熱失控傳播。

綜上，雖然前人對鋰離子電池系統(tǒng)熱失控傳播阻隔技術(shù)開展了一定的研究，但大多數(shù)研究的對象為相對安全的磷酸鐵鋰離子電池或容量較小的18650電池，而對高比能量的方形三元鋰離子電池的研究較少，且鮮有從熱量傳遞的角度揭示熱失控阻隔機(jī)制的相關(guān)研究。本工作以4 塊40 Ah 三元鋰離子電池形成的電池組為研究對象，研究不同種類和厚度的熱阻隔板對電池?zé)崾Э貍鞑サ囊种谱饔?，分析熱失控傳播過程中的傳熱規(guī)律，揭示其熱失控阻隔機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)對象

儲(chǔ)能用40 Ah NCM 三元鋰離子電池如圖1 所示，其基本參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)前電池均在室溫下以0.5 C倍率恒流放電至截止電壓3.0 V，然后以0.5 C恒流4.2 V恒壓充電至100%SOC，截止電流條件設(shè)置為0.02 C。電池充電完畢后，在室溫下擱置24 h，確保電池穩(wěn)定后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表1 實(shí)驗(yàn)電池基本參數(shù)Table 1 The basic parameters of the test battery

圖1 實(shí)驗(yàn)電池Fig.1 The test battery

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)過程中的電池布置方式如圖2 所示，4 塊方形電池之間通過隔熱材料隔開并列放置。本工作同時(shí)開展了一組對照實(shí)驗(yàn)，電池組中各電池直接接觸，無隔熱材料阻隔。實(shí)驗(yàn)所用到的隔熱棉熱導(dǎo)率為0.07 W/(m·K)，氣凝膠的熱導(dǎo)率為0.018 W/(m·K)。實(shí)驗(yàn)中采用定制夾具將實(shí)驗(yàn)電池與尺寸相同的300 W不銹鋼加熱板夾緊，加熱板緊貼1#電池左側(cè)表面，并在夾具內(nèi)側(cè)放置6 mm氣凝膠減少加熱板及電池向夾具傳熱。實(shí)驗(yàn)全程采用高清攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄，所采用的熱電偶為直徑1 mm 的K 型熱電偶，為了保證加熱板和1#電池的充分接觸，在1#電池左側(cè)面不設(shè)置測溫點(diǎn)，在其余電池表面各布置兩處測溫點(diǎn)，其具體布置位置如圖3所示。全部實(shí)驗(yàn)采用加熱板單面加熱的方式觸發(fā)熱失控，本工作判斷熱失控的條件為：①電池出現(xiàn)劇烈產(chǎn)氣或射流等熱失控行為；②電池表面任一測溫點(diǎn)溫度上升速率超過1 ℃/s，且持續(xù)3 s 以上[14]。實(shí)驗(yàn)過程中，1#電池滿足以上任一熱失控判斷條件時(shí)關(guān)閉加熱板電源停止加熱。

圖2 電池實(shí)驗(yàn)布置圖Fig.2 The experimental setup diagram

圖3 熱電偶布置示意圖Fig.3 Diagram of thermocouple

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 電池間無阻隔實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 電池?zé)崾Э匦袨?/p>

無熱阻隔措施下的電池組熱失控傳播行為特征如圖4所示。實(shí)驗(yàn)開始后，啟動(dòng)加熱板對1#電池左側(cè)面進(jìn)行加熱，直至1#電池于實(shí)驗(yàn)開始后884 s出現(xiàn)明顯熱失控現(xiàn)象停止加熱。1#電池在加熱過程中受到單側(cè)熱源迅速加熱，由于內(nèi)部的雙層卷芯結(jié)構(gòu)在厚度方向上熱導(dǎo)率較低，電池單體內(nèi)部具有較大的溫度梯度，熱量主要在電池加熱側(cè)聚積，導(dǎo)致1#電池左側(cè)卷芯首先發(fā)生副反應(yīng)，在電池內(nèi)部產(chǎn)熱的同時(shí)產(chǎn)生氣體，隨著溫度逐漸升高，鄰近的右側(cè)卷芯開始發(fā)生副反應(yīng)。隨著產(chǎn)氣量的增加，1#電池內(nèi)部壓力不斷上升，超過壓力閾值后1#電池安全閥打開。由于電池左側(cè)卷芯經(jīng)過長時(shí)間高溫加熱，內(nèi)部反應(yīng)較為充分，已發(fā)生隔膜熔化導(dǎo)致的大規(guī)模短路，在安全閥打開前，其熱失控趨勢已處于不可逆狀態(tài)，1#電池在安全閥打開后迅速出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象。隨著左側(cè)卷芯溫度在熱失控過程中迅速升高，右側(cè)卷芯在數(shù)秒的短暫延遲后隨即發(fā)生熱失控，1#電池的整體溫度迅速上升。實(shí)驗(yàn)過程中，熱失控電池的下游電池依次發(fā)生了熱失控，且各電池在安全閥打開的同時(shí)出現(xiàn)明顯的射流火或射流煙氣。其中，1#和2#電池?zé)崾Э仄陂g在安全閥口出現(xiàn)強(qiáng)烈的固氣混合射流，圖中紅色物質(zhì)為高溫狀態(tài)下的金屬顆粒，同時(shí)夾有部分黑灰色固體顆粒，圖中煙氣的主要成分為電池內(nèi)部自分解反應(yīng)生成的可燃?xì)怏w及粒徑更小的固體顆粒[15]。3#和4#電池在熱失控期間未出現(xiàn)明顯的固體射流，而是噴射出大量煙氣。

圖4 無隔熱工況下電池組內(nèi)各電池的熱失控情況Fig.4 Thermal runaway process of batteries without heat insulation plates

2.1.2 溫度分布

無熱阻隔措施工況下，電池表面各測溫點(diǎn)的溫度分布如圖5所示。圖中灰色柱狀部分在時(shí)間軸上的起點(diǎn)表示所對應(yīng)的電池開始發(fā)生熱失控，終點(diǎn)表示下一塊電池開始發(fā)生熱失控，但對于4#電池，終點(diǎn)表示4#電池溫度達(dá)到最大值。在實(shí)驗(yàn)開始后，緊貼1#電池左側(cè)面的加熱板溫度Tf迅速上升至400 ℃左右，并保持不變。在此過程中，1#電池Tb測溫點(diǎn)溫度緩慢上升，直至電池被持續(xù)加熱884 s后，電池安全閥打開并發(fā)生熱失控。1#電池發(fā)生熱失控瞬間，Tf為369.36 ℃，與加熱板溫度一致；Tb為104.66 ℃。此時(shí)關(guān)閉加熱板，由于1#電池內(nèi)部的自產(chǎn)熱，致使Tb溫度迅速上升并達(dá)到555.37 ℃，但該溫度并非熱失控傳播過程中該測溫點(diǎn)的最大值。

圖5 無隔熱工況下電池的溫度變化Fig.5 The temperature curves of batteries without heat insulation plates

在1#電池?zé)崾Э刂?，盡管加熱板停止加熱，但1#電池溫度遠(yuǎn)高于周圍環(huán)境溫度，同時(shí)通過熱傳導(dǎo)、熱輻射及熱對流三種方式與環(huán)境換熱。此時(shí)通過熱輻射及熱對流散失的熱量主要耗散于外界環(huán)境，電池系統(tǒng)當(dāng)中的熱失控傳播過程主要基于熱傳導(dǎo)。1#電池通過熱量傳遞使下游2#電池溫度不斷升高，且2#電池左右兩側(cè)的溫差增大，1#電池發(fā)生熱失控30 s 后，2#電池左側(cè)溫度(Tf)已達(dá)到364.89 ℃，而右側(cè)溫度(Tb)為50.32 ℃。在957 s時(shí)，2#電池發(fā)生熱失控，此時(shí)其左側(cè)溫度已達(dá)到508.60 ℃，而右側(cè)溫度(Tb)僅為87.28 ℃。此時(shí)1#電池右側(cè)溫度Tb尚未達(dá)到最大值，其在2#電池?zé)崾Э剡^程的產(chǎn)熱下進(jìn)一步上升。類似地，3#和4#電池發(fā)生熱失控的時(shí)間分別為加熱開始后的第1023 s和1182 s，電池間的熱失控傳播用時(shí)有逐漸延長的趨勢。進(jìn)一步地，從1#、2#和3#電池的溫度變化可以發(fā)現(xiàn)，電池左側(cè)受熱面溫度均在熱失控發(fā)生后迅速達(dá)到峰值，但右側(cè)面溫度的升高卻相對較緩，直到下游電池發(fā)生熱失控后才達(dá)到峰值。

無隔熱措施工況下，從1#電池發(fā)生熱失控傳播至4#電池?zé)崾Э氐目倳r(shí)間為298 s，相鄰兩節(jié)電池的熱失控傳播平均時(shí)間僅為99.33 s，因此有必要在電池間設(shè)置相應(yīng)的熱阻隔措施，延緩熱失控傳播過程，為安全逃生、救援提供時(shí)間。

2.2 電池間設(shè)置不同隔熱材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

2.2.1 電池?zé)崾Э匦袨?/p>

圖6展示了不同隔熱材料夾層設(shè)置下所對應(yīng)的熱失控傳播行為特征。三組實(shí)驗(yàn)中用到的隔熱材料分別為6 mm厚的隔熱棉[圖6(a)]、3 mm厚的氣凝膠[圖6(b)]和6 mm 厚的氣凝膠[圖6(c)]。從熱失控行為來看，6 mm隔熱棉工況下，2#電池與3#電池在安全閥打開的同時(shí)出現(xiàn)明顯的射流煙氣，且3#電池在安全閥打開15 s 后出現(xiàn)射流火焰。下游的4#電池在安全閥打開和熱失控發(fā)生之間存在105 s的時(shí)間間隔。3 mm 氣凝膠工況下，下游電池均出現(xiàn)先打開安全閥后發(fā)生熱失控的現(xiàn)象，且兩者之間的平均時(shí)間間隔達(dá)到了327 s，長于6 mm 隔熱棉工況下4#電池所出現(xiàn)的時(shí)間間隔。此外，2#電池在熱失控過程中出現(xiàn)緩慢燃燒的火焰，3#電池則出現(xiàn)強(qiáng)烈的射流火焰。2#電池的火焰是在電池射流煙氣釋放末期，由高溫引燃了剩余的少量可燃?xì)怏w形成，而3#電池火焰射流產(chǎn)生的方式為電池首先出現(xiàn)劇烈產(chǎn)氣，在電池持續(xù)產(chǎn)氣過程中出現(xiàn)短暫的火焰閃爍，隨著產(chǎn)氣的持續(xù)增大，火焰熄滅，在氣體射流速度減緩后，燃燒室內(nèi)出現(xiàn)轟燃現(xiàn)象，且在安全閥口形成穩(wěn)定的射流火焰。6 mm氣凝膠工況下，2#電池僅打開安全閥，并未出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象。在電池產(chǎn)生的火焰對熱失控傳播速率的影響方面，以3 mm氣凝膠工況下的熱失控傳播過程為例，從1#電池開始，熱失控逐步傳播至下游電池的間隔時(shí)間分別為1190 s、1438 s 和1219 s。其中，1#電池未出現(xiàn)明顯火焰，2#電池出現(xiàn)緩慢燃燒的火焰，3#電池出現(xiàn)強(qiáng)烈火焰射流，但由于火焰是由安全閥豎直向上噴射，未與下游電池直接接觸，其并未明顯縮短相鄰電池間的熱失控傳播用時(shí)，由此可知電池產(chǎn)生的火焰對熱失控傳播速率無明顯影響。

圖6 不同隔熱工況下電池的熱失控過程Fig.6 Thermal runaway process of batteries with different heat insulation plates

2.2.2 溫度分布

圖7為不同隔熱工況下電池表面各測溫點(diǎn)的溫度分布情況。從溫度變化趨勢來看，加入隔熱材料后的傳熱過程更緩和，1#電池發(fā)生熱失控30 s后，6 mm 隔熱棉、3 mm 氣凝膠和6 mm 氣凝膠工況下2#電池左側(cè)溫度分別為151.68 ℃、131.17 ℃和79.54 ℃，明顯低于無隔熱工況下的364.89 ℃。此外，在無隔熱和6 mm隔熱棉工況下，處于下游的2#和3#電池左右側(cè)面溫度Tf和Tb在電池組熱失控傳播全過程中共出現(xiàn)了兩次驟升，在溫度第一次驟升后未出現(xiàn)明顯下降即再次驟升，并在第二次驟升后達(dá)到最大值，兩處測溫點(diǎn)溫度在發(fā)生第二次驟升后均高于第一次驟升；在3 mm 氣凝膠工況下，2#和3#電池的左右側(cè)面溫度所出現(xiàn)的兩次驟升間的間隔時(shí)間較長，第一次驟升后溫度下降，隨后出現(xiàn)第二次驟升，因此溫度呈現(xiàn)出兩處較為明顯的峰值，且電池右側(cè)溫度Tb第二次驟升后的溫度峰值低于第一次驟升后；在6 mm氣凝膠工況下，由于電池?zé)崾Э剡^程被終止于2#電池，未出現(xiàn)多次溫度驟升，但能觀察到2#電池安全閥打開后左右側(cè)面在10 s內(nèi)出現(xiàn)了超過6 ℃的溫降。推測可能是由于儀器測量原因，圖7(a)中的4#電池?zé)崾Э睾笃跍囟戎荡嬖谳^大誤差，但對本工作中判斷熱失控的發(fā)生時(shí)間無影響。

圖7 不同隔熱工況下電池的溫度變化Fig.7 The temperature curves of batteries with different heat insulation plates

在1#電池向2#電池的熱失控傳播過程中，電池間的隔熱材料熱導(dǎo)率越低、厚度越大，熱量傳遞至下游電池用時(shí)越長，同時(shí)1#電池通過熱對流和熱輻射的方式與外界換熱，因此向下游2#、3#、4#電池的傳熱速率隨著時(shí)間增加將會(huì)不斷減小。對于 2#電池而言，當(dāng)其內(nèi)部副反應(yīng)產(chǎn)熱及從1#電池處獲得的熱量總和與2#電池自身散失熱量的差值不足以誘發(fā)熱失控時(shí)，熱失控傳播過程將在2#電池處停止。

從6 mm 氣凝膠實(shí)驗(yàn)中可以看出，2#電池在2447 s打開安全閥后未出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象。這是由于1#電池?zé)崾Э睾螅?#電池左面最高溫度僅達(dá)到283.41 ℃，隨后持續(xù)下降，內(nèi)部卷芯發(fā)生的副反應(yīng)過程較為緩和，產(chǎn)熱與產(chǎn)氣速率均較慢。電池安全閥打開后，高溫高壓的氣體通過安全閥釋放，電池內(nèi)部溫度迅速下降，由于內(nèi)部副反應(yīng)未達(dá)到不可逆階段，且1#電池?zé)o法進(jìn)一步傳導(dǎo)更多熱量誘發(fā)2#電池?zé)崾Э?，因此熱失控傳播被終止于2#電池。

在3 mm氣凝膠實(shí)驗(yàn)中，2#電池于1581 s打開安全閥，并在數(shù)分鐘延遲后，于1844 s 發(fā)生熱失控。這是由于2#電池安全閥打開后，內(nèi)部副反應(yīng)產(chǎn)熱與來自1#電池的熱量總和超過了2#電池的熱失控臨界值，使得電池的安全閥打開與熱失控發(fā)生之間存在一定時(shí)間差。

在6 mm 隔熱棉及無隔熱實(shí)驗(yàn)中，2#電池分別于1585 s 和957 s 打開安全閥，且在開閥瞬間發(fā)生熱失控。從溫度上看，2#電池安全閥打開前，其左面溫度測溫點(diǎn)Tf分別達(dá)到了391.85 ℃和508.59 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過3 mm 氣凝膠和6 mm 氣凝膠實(shí)驗(yàn)中安全閥開啟前的溫度，電池內(nèi)部左側(cè)卷芯在高溫下迅速達(dá)到不可逆的熱失控狀態(tài)，電芯內(nèi)部的熱失控傳播過程與1#電池的熱失控過程近似。

表2是不同實(shí)驗(yàn)工況下電池?zé)崾Э貍鞑ミ^程中的特征參數(shù)。表中描述了不同實(shí)驗(yàn)工況下相鄰電池間熱失控傳播用時(shí)、電池?zé)崾Э赜|發(fā)溫度(TTR-tri)和電池?zé)崾Э胤逯禍囟?TTR-max)，由于電池?zé)崾Э厮查g及熱失控過程中兩側(cè)測溫點(diǎn)溫差較大，難以準(zhǔn)確表征電池瞬時(shí)溫度，因此采用兩側(cè)測溫點(diǎn)的溫度平均值作為電池?zé)崾Э赜|發(fā)溫度及峰值溫度，表中的溫度誤差表示測溫點(diǎn)間的溫差。對于不同實(shí)驗(yàn)工況，熱失控觸發(fā)時(shí)電池兩側(cè)的溫差(ΔTTR-tri)和電池?zé)崾Э剡_(dá)到峰值溫度時(shí)電池兩側(cè)的溫差(ΔTTR-max)均按照無隔熱—6 mm 隔熱棉—3 mm 氣凝膠的順序呈現(xiàn)減小的趨勢，以2#電池的ΔTTR-max為例，在無隔熱條件下為247.66 ℃，隨6 mm 隔熱棉的加入，ΔTTR-max降低至121.76 ℃，而當(dāng)采用3 mm 氣凝膠進(jìn)行隔熱時(shí)，ΔTTR-max降低至2.76 ℃，兩側(cè)溫度基本一致。對于同一電池，ΔTTR-max低于ΔTTR-tri，以3 mm 氣凝膠工況為例，3#電池的ΔTTR-tri為94.56 ℃，而ΔTTR-max為2.76 ℃。ΔTTR-tri是電池?zé)釋?dǎo)率較低所導(dǎo)致的，來自上游電池的熱量難以沿電池厚度方向傳遞，因而需要較長的時(shí)間達(dá)到平衡，對于隔熱性較差的工況，上游電池?zé)崃垦杆賯鬟f至下游電池，下游電池Tb測溫點(diǎn)溫度尚未升高至與Tf一致即發(fā)生熱失控，且熱阻隔效果越差，ΔTTR-tri越大。ΔTTR-max是電池向下游電池傳熱所導(dǎo)致的，此時(shí)電池左側(cè)與高溫隔熱材料或上游電池相接觸，換熱量較少；而電池右側(cè)與低溫隔熱材料或下游電池接觸，需要向下游傳遞熱量，且熱阻隔效果越差，向下游電池傳遞熱量的速度越快，電池右側(cè)溫度越低，因此ΔTTR-max越大。由此可知，電池間的熱阻隔夾層隔熱效果越好，上游電池向下游電池的傳熱過程越緩慢，從而有越充足的時(shí)間對熱失控作出反應(yīng)。從熱失控阻隔效果來看，6 mm 隔熱棉工況下，電池組內(nèi)熱失控傳播總用時(shí)為1933 s，相鄰電池間的熱失控傳播平均用時(shí)為644.33 s，相較無隔熱工況明顯延長；3 mm 氣凝膠工況下，熱失控傳播總用時(shí)進(jìn)一步延長至3847 s，相鄰電池間熱失控傳播平均用時(shí)超過1200 s，已遠(yuǎn)超過文獻(xiàn)[16]認(rèn)為至少需要提前5 min 進(jìn)行預(yù)警提醒人員疏散的時(shí)間閾值；而在6 mm氣凝膠工況下，2#電池僅打開安全閥，并未發(fā)生熱失控，熱失控傳播過程被完全阻隔。

表2 熱失控傳播過程電池特征參數(shù)Table 2 The characteristic parameters of batteries during TR

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，6 mm 隔熱棉的熱阻隔性能較差，與理論預(yù)測不符，這是由于隔熱棉受熱受壓時(shí)厚度會(huì)明顯縮小，從而導(dǎo)致隔熱性能變差。因此在選取合適的熱阻隔材料作為電池間的隔熱夾層時(shí)，不僅需要考慮常溫常壓下的熱導(dǎo)率和使用厚度等參數(shù)，還需要考慮材料受熱受壓時(shí)的性能變化。而采用3 mm氣凝膠可以將相鄰電池間的熱失控傳播時(shí)間延長至1200 s以上；采用6 mm氣凝膠作為隔熱夾層可以完全阻隔熱失控傳播。

2.3 熱失控過程傳熱特性理論分析

以3 mm 氣凝膠熱阻隔實(shí)驗(yàn)工況為例，從能量傳遞角度對電池組熱失控傳播過程中的傳熱特性進(jìn)行分析。根據(jù)能量守恒定律和傅里葉定律，可以建立如公式(1)所示的導(dǎo)熱微分方程：

式 中，ρb、Cp,b、λ及?b分 別 為 電 池 密 度(kg/m3)、比熱容[J/(kg·K)]、熱導(dǎo)率[W/(m·K)]及單位時(shí)間單位體積內(nèi)的生成熱[J/(m3·s)]。

即對于微元體，按照能量守恒定律，在任意時(shí)間間隔內(nèi)應(yīng)存在以下熱平衡關(guān)系：傳入微元體的總熱量+微元體自身生成的熱量=傳出微元體的總熱量+微元體的內(nèi)能增量。在笛卡爾坐標(biāo)系下，三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程的一般形式如公式(2)所示：

電池?zé)崾Э剡^程涉及內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱及與周圍環(huán)境的熱交換，由于電池內(nèi)部材料組成復(fù)雜，熱物性參數(shù)各向異性，熱失控傳熱過程屬于有內(nèi)熱源的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱，因此對電池之間的傳熱關(guān)系采用分階段的簡化方式，對特征時(shí)間段內(nèi)的傳熱關(guān)系進(jìn)行研究。假設(shè)1#電池左側(cè)面和4#電池右側(cè)面處于絕熱狀態(tài)，電池向周圍環(huán)境的散熱主要由熱輻射和熱對流組成，向周圍電池的傳熱主要由熱傳導(dǎo)組成。以i#電池為例進(jìn)行分析，i-1#電池發(fā)生熱失控后，i#電池發(fā)生熱失控前存在公式(3)所示的熱量平衡關(guān)系：

式中，Qi-1→i、Qgen、Qi→i+1、Qrad、Qcon、Vb及ΔT分別表示由i-1#電池傳遞至i#電池的熱量(J)、i#電池內(nèi)部副反應(yīng)產(chǎn)熱(J)、i#電池傳遞至i+1#電池的熱量(J)、i#電池通過熱輻射散失的熱量(J)、i#電池通過熱對流散失的熱量(J)、電池體積(m3)以及該時(shí)間段內(nèi)i#電池的溫升(K)。

熱失控發(fā)生過程中，i#電池不僅通過三種傳熱方式散失熱量，同時(shí)還包括從安全閥口噴出的高溫多相射流引起的熱量損失，因此對于熱失控過程中的i#電池存在公式(4)所示的熱量平衡關(guān)系：

式中，Qjet、Qi→i-1分別表示熱失控過程中通過多相射流損失的熱量(J)及i#電池傳遞至i-1#電池的熱量(J)。

熱失控結(jié)束后，假設(shè)電池內(nèi)部副反應(yīng)已結(jié)束，且此時(shí)i#電池溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度及周圍電池溫度，i#電池作為高溫?zé)嵩聪蛑車?，因此對于熱失控結(jié)束的i#電池存在公式(5)所示的熱量平衡關(guān)系：

對于熱阻隔效果的研究是基于上游電池已發(fā)生熱失控，且向下游電池不斷傳遞熱量直至下游電池?zé)崾Э氐募僭O(shè)，因此選取公式(3)作為計(jì)算公式。圖8為電池單體在EV-ARC中進(jìn)行絕熱條件熱失控測試時(shí)的外表面測溫點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線，電池在110.20 ℃時(shí)開始自產(chǎn)熱，并在155.74 ℃時(shí)打開安全閥，由此可知2#電池受熱直至安全閥打開的過程中自產(chǎn)熱Qgen為3.6×104J；通過下游電池溫升數(shù)據(jù)對2#電池傳遞至下游電池的熱量Qi→i+1進(jìn)行計(jì)算，為1.6×104J；Qrad和Qcon的值分別通過公式(6)和公式(7)進(jìn)行計(jì)算：

圖8 絕熱條件下的熱失控溫度曲線Fig.8 The temperature curve during TR under adiabatic condition

式中，ε為表面發(fā)射率；A為電池散熱面積，m2；σ為Stefan-Boltzmann 常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)；h為自然對流換熱系數(shù)，13 W/(m2·K)；T1和T2分別為電池表面溫度和環(huán)境溫度，K。

將電池的發(fā)射率ε設(shè)為0.1，表面自然對流換熱系數(shù)h設(shè)為13 W/(m2·K)，則2#電池通過熱輻射和熱對流散失的熱量總和(Qrad+Qcon)為1.4×104J；2#電池溫升所需的熱量ρbCp,bVbΔT為1.67×105J。2#電池在安全閥打開前的自產(chǎn)熱及與周圍環(huán)境的換熱量如圖9 所示，可知2#電池安全閥打開前從1#電池處獲得的熱量總和Qi-1→i為1.61×105J，可以認(rèn)為電池?zé)崾Э剡^程中所需要的絕大部分熱量來自上游電池的熱傳導(dǎo)，副反應(yīng)自產(chǎn)熱僅占2#電池總接收熱量的18.3%。

圖9 2#電池的傳熱特性Fig.9 Heat transfer characteristics of 2# battery

由此可知，誘發(fā)電池?zé)崾Э貍鞑サ闹饕蛩厥巧嫌坞姵氐膫鳠?，因此對電池組熱失控的阻隔可以從延緩上游電池的熱傳導(dǎo)和提高上游電池向環(huán)境的散熱兩方面來考慮。

3 結(jié) 論

本工作針對4 塊40 Ah 三元方形電池形成的電池組在設(shè)置不同熱阻隔夾層時(shí)的熱失控傳播行為及傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下。

（1）電池間無熱阻隔工況下，電池間無隔熱夾層時(shí)，4 塊電池均發(fā)生劇烈的熱失控行為且傳熱迅速，在安全閥打開瞬間出現(xiàn)明顯的煙氣射流，1#電池發(fā)生熱失控30 s 后，2#電池左側(cè)溫度已達(dá)到364.89 ℃；加入熱阻隔材料后，電池受熱側(cè)最高溫度下降且傳熱速度減慢，1#電池發(fā)生熱失控30 s后，2#電池左側(cè)溫度未超過151.68 ℃，下游電池出現(xiàn)先打開安全閥再發(fā)生熱失控的現(xiàn)象。熱阻隔效果越好，傳熱過程越緩和，安全閥打開和熱失控發(fā)生之間的間隔時(shí)間越長。

（2）無熱阻隔工況下，相鄰電池間平均熱失控傳播時(shí)間為99.33 s，在采用6 mm 厚隔熱棉和3 mm 厚氣凝膠作為隔熱材料后，熱失控傳播平均用時(shí)分別延長至644.33 s 和1282.33 s，已能達(dá)到間隔時(shí)間大于1200 s的要求。而采用6 mm氣凝膠作為隔熱夾層時(shí)，熱失控傳播過程被阻斷。然而6 mm氣凝膠夾層會(huì)顯著降低電池組體積能量密度，3 mm 氣凝膠能夠在綜合考慮隔熱性能和電池組能量密度的情況下取得最佳效果，本研究中建議選擇3 mm厚氣凝膠作為電池組隔熱材料。

（3）熱失控傳播過程中，電池接收的熱量主要包括上游電池傳熱和自身副反應(yīng)產(chǎn)熱兩部分，其中自身產(chǎn)熱僅占總接收熱量的18.3%，更多地依靠上游電池傳熱誘發(fā)熱失控，因此對電池組熱失控的阻隔可以從延緩上游電池的熱傳導(dǎo)和提高上游電池向環(huán)境的散熱兩方面來考慮。