車用鋰電池?zé)崾Э靥匦约捌淇刂品椒ǚ治?/h1>
2024-10-08 00:00:00潘新鋒邵長風(fēng)王小燕
時(shí)代汽車 2024年17期
摘 要：隨著電動(dòng)汽車的普及，鋰電池的安全問題特別是熱失控現(xiàn)象變得日益重要。本文對熱失控特性及其控制方法展開研究。分析了熱失控的多種誘因，如電化學(xué)問題、機(jī)械和電氣故障，并探討了它們對電池?zé)嵝袨榈挠绊?。文章還描述了熱失控從起始到最終階段的過程，包括溫度升高、化學(xué)反應(yīng)失控，以及可能導(dǎo)致的燃燒或爆炸。此外，綜合評述了熱失控檢測與防控技術(shù)的研究進(jìn)展，如優(yōu)化熱管理系統(tǒng)、完善電池管理系統(tǒng)（BMS）和使用新型隔熱材料。最后，展望了未來發(fā)展方向，總結(jié)了研究成果，并提出了未來研究的建議和改進(jìn)方向，以促進(jìn)該領(lǐng)域的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：鋰電池 熱失控 控制方法 電池管理系統(tǒng) 液冷系統(tǒng)
隨著全球能源轉(zhuǎn)型和環(huán)保壓力增加，新能源汽車日益重要，鋰電池因其優(yōu)勢成為電動(dòng)車核心。但鋰電池存在一定的熱失控風(fēng)險(xiǎn)，理解并控制車用鋰電池?zé)崾Э靥匦詫μ嵘妱?dòng)車安全至關(guān)重要。
鋰離子電池發(fā)展始于1970年代，基于早期電池技術(shù)。經(jīng)年累月，通過材料、結(jié)構(gòu)改進(jìn)，電池性能提升，形成液態(tài)和凝聚態(tài)兩種主要類型，支持了便攜電子設(shè)備對電動(dòng)車的能源需求。
新能源汽車行業(yè)快速擴(kuò)張，受減排需求和政策推動(dòng)，銷量上升。政府和廠商通過補(bǔ)貼、基建、法規(guī)及技術(shù)研發(fā)促進(jìn)市場增長。鋰離子電池技術(shù)進(jìn)一步提高了電動(dòng)車?yán)m(xù)航，縮短充電時(shí)間，盡管面臨充電設(shè)施、電池回收等挑戰(zhàn)，行業(yè)前景仍被看好，將繼續(xù)推動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展。
1 鋰電池?zé)崾Э卦蚍治?/p>
1.1 鋰離子電池
鋰離子電池由正極、負(fù)極、電解液和隔膜四部分組成。正極包含材料、導(dǎo)電劑、粘合劑和集流體；負(fù)極通常用石墨等碳材料，充電時(shí)儲存鋰離子；電解液是有機(jī)溶劑、鋰鹽和添加劑的混合物，作為鋰離子傳輸介質(zhì)；隔膜是微孔絕緣材料，防止正負(fù)極短路。工作原理基于鋰離子在正負(fù)極間的移動(dòng)，放電時(shí)鋰離子從負(fù)極經(jīng)電解液移至正極，充電時(shí)則相反，從而存儲和釋放能量。
1.2 熱失控現(xiàn)象
隨著鋰離子電池在現(xiàn)代電子設(shè)備和電動(dòng)汽車中的廣泛應(yīng)用，其安全性問題尤為重要。在所有潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)中，熱失控事件因其可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果而備受關(guān)注。鋰離子電池的熱失控是一種復(fù)雜的現(xiàn)象，涉及多種化學(xué)反應(yīng)和物理過程，并且常常導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸。理解引發(fā)這一現(xiàn)象的原因?qū)τ诖_保鋰離子電池的安全運(yùn)行至關(guān)重要。
1.3 機(jī)械濫用
機(jī)械濫用是鋰電池?zé)崾Э氐年P(guān)鍵因素，可能導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞、隔膜破裂和內(nèi)部短路，引發(fā)異常電流和局部過熱。若未加控制可能引發(fā)連鎖反應(yīng)導(dǎo)致熱失控。此外，機(jī)械濫用還可能損壞電池外殼，導(dǎo)致電解質(zhì)泄漏，加劇熱效應(yīng)并增加熱失控風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)影響電氣性能。為防熱失控，需采取安全措施和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確保電池不受機(jī)械沖擊變形或破壞[5-6]。
1.3.1 機(jī)械濫用的熱失控誘因及機(jī)理
機(jī)械濫用如擠壓、針刺和碰撞會(huì)引發(fā)電池?zé)崾Э?。擠壓破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致正負(fù)極間接觸產(chǎn)生內(nèi)短路，進(jìn)而放電產(chǎn)熱。溫度升高后，固體電解質(zhì)界面膜分解進(jìn)一步產(chǎn)熱，隔膜溶解無法阻止溫度上升。達(dá)到180度以上時(shí)，電解液和正極材料分解產(chǎn)氣，導(dǎo)致電池膨脹，最終引發(fā)熱失控。
在隔膜材料中，垂直機(jī)械方向的抗拉能力較弱，應(yīng)加強(qiáng)此方向的抗拉能力。實(shí)驗(yàn)顯示[9]，氧化鋁/聚乙烯/氧化鋁雙面陶瓷隔膜的抗拉能力和電池安全性較高。此外，機(jī)械濫用還可能導(dǎo)致電解液泄漏，侵蝕元件或引發(fā)火災(zāi)。
1.3.2 機(jī)械濫用熱失控特性
機(jī)械濫用熱失控的特性包括局部劇烈升溫，熱量積累及蔓延，最終導(dǎo)致起火或爆炸。在電池組中，如果有單體電池因?yàn)闄C(jī)械濫用等原因發(fā)生了局部劇烈升溫，這個(gè)熱量的積累會(huì)導(dǎo)致該單體電池溫度迅速上升。高溫單體電池不僅本身存在安全隱患，還可能引發(fā)周圍其他單體電池也發(fā)生熱失控，造成熱失控現(xiàn)象在整個(gè)電池組內(nèi)部擴(kuò)散，增加了安全風(fēng)險(xiǎn)。除了由于機(jī)械濫用導(dǎo)致的過熱以外，如果電池的連接部件出現(xiàn)松動(dòng)也可能會(huì)造成局部電阻增大，從而引發(fā)局部過熱。
1.4 電濫用
鋰電池的熱失控通常是由內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)失控引起的，這通常涉及電池的過充電、過放電和內(nèi)外短路。當(dāng)電池充電或放電超過其設(shè)計(jì)的電壓或容量限制時(shí)，可能會(huì)引發(fā)電池內(nèi)部的副反應(yīng)，導(dǎo)致內(nèi)部局部電芯過熱，從而觸發(fā)熱失控。此外，如果電池內(nèi)部的隔膜損壞或者電極材料的脫落可能導(dǎo)致正負(fù)極直接接觸，形成內(nèi)部短路，也是熱失控的常見原因之一。內(nèi)部短路會(huì)引發(fā)局部高溫，進(jìn)而觸發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，導(dǎo)致熱失控。
電濫用的熱失控誘因及熱失控特性：電濫用導(dǎo)致的熱失控主要有內(nèi)部短路、外部短路、過充電和過放電等原因。內(nèi)部短路常由隔膜損壞或電極材料脫落引發(fā)，導(dǎo)致局部高溫并觸發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。外部短路則由正負(fù)極意外直接連接引起，電流劇增，溫度上升。過充電發(fā)生在電池超過額定電壓或容量時(shí)，可能因電池管理系統(tǒng)失控、充電環(huán)境異?；螂姵乩匣灰恢乱餥11]，導(dǎo)致內(nèi)部壓力增大，溫度升高，可能引發(fā)熱失控。過放電在電量過低時(shí)繼續(xù)放電，會(huì)破壞化學(xué)平衡，損壞電池結(jié)構(gòu)，增加熱失控風(fēng)險(xiǎn)。
1.5 熱濫用
熱濫用的熱失控誘因：熱濫用導(dǎo)致的鋰電池?zé)崾Э厥窃谶^熱環(huán)境下，電池局部劇烈升溫。溫度超限可能引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，使內(nèi)部溫度和壓力急劇上升。一旦單個(gè)電池單元熱失控，可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，影響整個(gè)電池組的安全。為預(yù)防熱失控，研究人員正在開發(fā)基于多維傳感信號融合的預(yù)警技術(shù)，通過監(jiān)測熱、電、機(jī)械和氣體等特征信號，準(zhǔn)確掌握電池安全狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警。確保電池使用安全需技術(shù)創(chuàng)新與管理措施相結(jié)合。
1.6 BMS（電池管理系統(tǒng)）失效
BMS失效導(dǎo)致的鋰電池?zé)崾Э赝ǔＩ婕半姵毓芾硐到y(tǒng)無法正常監(jiān)測和控制電池的電壓、溫度等關(guān)鍵參數(shù)，從而導(dǎo)致電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)失控。具體來說，當(dāng)電芯隔膜開始大量溶解，電池內(nèi)部發(fā)生大規(guī)模內(nèi)短路時(shí)，電壓會(huì)急劇下降，這是熱失控已經(jīng)無法遏制的一個(gè)明顯信號。在這個(gè)過程中，電芯端電壓是一個(gè)可檢測的電氣參數(shù)，但當(dāng)前的BMS系統(tǒng)只能精確采集到每一個(gè)串聯(lián)模組的電壓，而無法對每一個(gè)電芯進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[7]。
2 鋰電池?zé)崾Э匕l(fā)展過程
2.1 熱失控的誘發(fā)階段
鋰電池?zé)崾Э匕l(fā)展過程中的誘發(fā)階段是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)和外部因素的影響。在這個(gè)階段，電池內(nèi)部可能會(huì)因?yàn)楦鞣N原因產(chǎn)生熱量，這些原因包括制造缺陷、外部損傷如擠壓或針刺等機(jī)械誘因。當(dāng)電池內(nèi)部的溫度逐漸升高，達(dá)到50℃至140℃的范圍時(shí)，電池進(jìn)入自生熱階段。
在這個(gè)階段，如果電池內(nèi)部的熱量無法有效散發(fā)，或者由于外部熱源的影響導(dǎo)致電池溫度繼續(xù)上升，可能會(huì)引發(fā)更嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)。這些反應(yīng)遵循鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的機(jī)制，一個(gè)接一個(gè)地發(fā)生，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度迅速升高。同時(shí)，電池表面還會(huì)通過熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射的方式與外部環(huán)境換熱。
2.2 熱失控的發(fā)展階段
鋰電池?zé)崾Э氐陌l(fā)展階段是整個(gè)熱失控過程中最為關(guān)鍵的部分，這一階段的特征是溫度的迅速上升和化學(xué)反應(yīng)的加速。在自生熱階段，隨著溫度的上升，SEI膜（固態(tài)電解質(zhì)界面膜）開始溶解，這通常發(fā)生在90℃左右。SEI膜的溶解使得負(fù)極材料及其中的嵌鋰碳直接暴露在電解液中，隨后嵌鋰碳與電解液發(fā)生放熱反應(yīng)，導(dǎo)致溫度進(jìn)一步升高。這個(gè)放熱反應(yīng)又促進(jìn)了SEI膜的進(jìn)一步分解，形成了一個(gè)惡性循環(huán)，直至SEI膜完全分解。
當(dāng)溫度超過140℃時(shí)，電池進(jìn)入熱失控階段。此時(shí)，正負(fù)極材料都參與到電化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)物質(zhì)量的增加使得溫度的提升速度更快。這個(gè)階段的反應(yīng)是劇烈的，并且伴隨著大量的熱量釋放，可能導(dǎo)致電池結(jié)構(gòu)的損壞，如隔膜融化等。這個(gè)過程的溫度范圍是140℃至850℃。
2.3 熱失控的失控階段
鋰電池?zé)崾Э匕l(fā)展過程中的失控階段是整個(gè)熱失控過程中最為危險(xiǎn)的環(huán)節(jié)。在這一階段，電池內(nèi)部的反應(yīng)變得非常劇烈，溫度迅速升高，可能引發(fā)一系列嚴(yán)重的后果。
當(dāng)電池溫度超過140℃時(shí)，SEI膜（固態(tài)電解質(zhì)界面膜）會(huì)開始分解，釋放出熱量和氣體，如CO2。隨著溫度的繼續(xù)上升，隔膜開始融化，這通常發(fā)生在140℃左右。隔膜的融化可能導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生內(nèi)短路，進(jìn)一步加劇了溫度的上升，電池的正極材料會(huì)在這時(shí)發(fā)生分解反應(yīng)，釋放大量的熱量和氧氣。
在這個(gè)階段，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)遵循鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的機(jī)制，即一個(gè)反應(yīng)引發(fā)另一個(gè)反應(yīng)，形成一個(gè)惡性循環(huán)。這些反應(yīng)包括電解液的分解、粘結(jié)劑的分解等，都會(huì)釋放出大量的熱量和氣體。這個(gè)過程的溫度范圍是140℃至850℃。
2.4 熱失控的災(zāi)害階段
鋰離子電池?zé)崾Э氐臑?zāi)害階段通常涉及一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和物理過程，這些過程相互作用，導(dǎo)致電池溫度迅速升高，最終可能引發(fā)火災(zāi)或爆炸。
當(dāng)電池溫度達(dá)到一定水平時(shí)，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)會(huì)進(jìn)入一種失控狀態(tài)，這就是所謂的“熱失控”。在這個(gè)狀態(tài)下，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)會(huì)以極快的速度進(jìn)行，產(chǎn)生大量的熱量和氣體。這些熱量和氣體會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力迅速升高，電池發(fā)生大規(guī)模內(nèi)短路，最終可能導(dǎo)致電池殼體破裂、起火或爆炸。
一旦熱失控事件發(fā)生，即使電池溫度重新降至正常水平，電池的性能也可能已經(jīng)嚴(yán)重受損，無法繼續(xù)使用。因此，了解熱失控的機(jī)制以及如何預(yù)防和控制熱失控的發(fā)生對于確保鋰離子電池的安全性至關(guān)重要。
2.5 熱失控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)制
鋰離子電池?zé)崾Э氐逆準(zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)制通常涉及多個(gè)階段，包括化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱、活性物質(zhì)分解、溫度升高和內(nèi)短路等。通常是由機(jī)械濫用導(dǎo)致鋰離子電池出現(xiàn)內(nèi)部短路或外部短路，進(jìn)而導(dǎo)致鋰離子電池電濫用，電濫用大量產(chǎn)熱且熱量沒能得到及時(shí)地散出，然后致使熱濫用的發(fā)生，最后使得鋰離子電池發(fā)生熱失控，主要現(xiàn)象為冒煙、起火、爆炸等。
3 鋰電池?zé)崾Э乜刂萍夹g(shù)的發(fā)展
3.1 鋰電池液冷散熱
應(yīng)對鋰電池?zé)崾Э氐睦鋮s方法包括空氣冷卻、熱管冷卻、相變冷卻、液體冷卻等冷卻方法，但各自都存在換熱效率低、環(huán)境和溫度適應(yīng)性差、成本高導(dǎo)熱系數(shù)低等缺點(diǎn)，而隨著電池能量密度技術(shù)的提升與對散熱能力的需求提高，液體冷卻技術(shù)愈發(fā)重要。其中最高效的一種則是浸沒式液冷，把電池浸泡在非導(dǎo)電的電解質(zhì)中，直接接觸冷卻液，讓電池各面受熱一致，溫度保持均勻。優(yōu)點(diǎn)還包括穩(wěn)定安靜、節(jié)約能源與空間等。對于冷卻液則有沸點(diǎn)高、低黏度、不易揮發(fā)和兼容性好等要求，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定進(jìn)行。氫氟醚是其中一種常見的良好介質(zhì)，如3M公司的Novec系列產(chǎn)品，在單相浸沒式液冷中得到廣泛應(yīng)用。
浸沒式液冷是電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的主要領(lǐng)域之一，目前世界范圍已進(jìn)行了大量研究，但對于不同類型的浸沒式液冷的評價(jià)準(zhǔn)則仍未完善。評估需要考慮諸如溫度、配件質(zhì)量比例、成本等指標(biāo)，并且不能忽視對電池安全和壽命的影響。
3.2 BMS（電池管理系統(tǒng)）優(yōu)化設(shè)計(jì)
優(yōu)化BMS設(shè)計(jì)需考慮硬件精度、軟件功能、結(jié)構(gòu)布局、系統(tǒng)集成和環(huán)境適應(yīng)性，確保電池高效安全運(yùn)行。硬件要精確采集數(shù)據(jù)，軟件監(jiān)控電池狀態(tài)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)集成緊密，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。同時(shí)，考慮成本效益、法規(guī)遵從性和易于更新，以提升性能、保障安全并延長電池壽命，提供更好的用戶體驗(yàn)。
軟件方面，用合適算法監(jiān)控電池狀態(tài)，解決電芯不一致性，支持模塊化架構(gòu)。結(jié)構(gòu)方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化、可維護(hù)，優(yōu)化空間布局和系統(tǒng)集成，提高可靠性和適應(yīng)性。系統(tǒng)集成確保BMS與車輛其他系統(tǒng)緊密協(xié)調(diào)。要求環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，穩(wěn)定運(yùn)行于各種條件?？紤]成本效益，保持市場競爭力。符合法規(guī)，便于維護(hù)更新。這些優(yōu)化提升性能、保障安全、延長壽命，改善用戶體驗(yàn)[7]。
3.3 探索安全材料
優(yōu)化電池性能與安全性主要通過材料創(chuàng)新和技術(shù)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)。研究新電池材料如硅負(fù)極，提升儲能力；改善材料結(jié)構(gòu)，加快充電速度；改良電解液成分，提高低溫活性，減少內(nèi)阻，提升充放電效率與安全性。
在優(yōu)化過程中，計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）模擬電池電化學(xué)和熱力學(xué)過程，幫助理解內(nèi)部反應(yīng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)。3D打印技術(shù)制造關(guān)鍵材料和結(jié)構(gòu)，增加制造靈活性，提升傳輸能力和動(dòng)力學(xué)。
多尺度仿真技術(shù)從原子到組件分析性能，指導(dǎo)材料選擇。整合設(shè)計(jì)制造信息，全流程優(yōu)化。云計(jì)算提高計(jì)算效率，加速開發(fā)測試。精確模型和數(shù)值模擬預(yù)測性能，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)方向。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室研究和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，積累數(shù)據(jù)知識，形成系統(tǒng)優(yōu)化方法。
綜合多學(xué)科技術(shù)方法，科研人員、工程師和制造者共同推動(dòng)電池性能提升。通過這些措施，提高電池能量密度、充放電速度、壽命和安全性，滿足現(xiàn)代需求。
4 結(jié)論
本文審視了車用鋰電池的熱失控特性及其控制方法。通過深入探討了電池?zé)崾Э氐亩喾N原因，并評估目前用于預(yù)防和控制熱失控的策略和技術(shù)，包括電池管理系統(tǒng)（BMS）的優(yōu)化、熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、材料的改進(jìn)以及安全閥的使用。從這些研究中可以看出，盡管在理解與處理鋰電池?zé)崾Э胤矫嬉呀?jīng)取得了重要進(jìn)展，但安全性和高能量密度之間的平衡仍是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)。當(dāng)前的控制策略還需要進(jìn)一步提高其預(yù)測能力和響應(yīng)速度，以便在實(shí)際運(yùn)行中有效地預(yù)防或減輕熱失控事件的影響。
未來工作應(yīng)聚焦關(guān)鍵領(lǐng)域：
（1）發(fā)展高精度監(jiān)測技術(shù)，用先進(jìn)傳感器和機(jī)器學(xué)習(xí)算法及時(shí)檢測電池狀態(tài)。
（2）合作開發(fā)新材料，具備高熱穩(wěn)定性和低化學(xué)反應(yīng)活性，設(shè)計(jì)有效控制熱傳播的結(jié)構(gòu)。
（3）完善熱管理系統(tǒng)，保持適宜溫度，考慮新的能量消散技術(shù)。
（4）制定嚴(yán)格安全標(biāo)準(zhǔn)和測試程序，通過跨學(xué)科合作提供全方位安全保障。
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摘 要：隨著電動(dòng)汽車的普及，鋰電池的安全問題特別是熱失控現(xiàn)象變得日益重要。本文對熱失控特性及其控制方法展開研究。分析了熱失控的多種誘因，如電化學(xué)問題、機(jī)械和電氣故障，并探討了它們對電池?zé)嵝袨榈挠绊?。文章還描述了熱失控從起始到最終階段的過程，包括溫度升高、化學(xué)反應(yīng)失控，以及可能導(dǎo)致的燃燒或爆炸。此外，綜合評述了熱失控檢測與防控技術(shù)的研究進(jìn)展，如優(yōu)化熱管理系統(tǒng)、完善電池管理系統(tǒng)（BMS）和使用新型隔熱材料。最后，展望了未來發(fā)展方向，總結(jié)了研究成果，并提出了未來研究的建議和改進(jìn)方向，以促進(jìn)該領(lǐng)域的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：鋰電池 熱失控 控制方法 電池管理系統(tǒng) 液冷系統(tǒng)
隨著全球能源轉(zhuǎn)型和環(huán)保壓力增加，新能源汽車日益重要，鋰電池因其優(yōu)勢成為電動(dòng)車核心。但鋰電池存在一定的熱失控風(fēng)險(xiǎn)，理解并控制車用鋰電池?zé)崾Э靥匦詫μ嵘妱?dòng)車安全至關(guān)重要。
鋰離子電池發(fā)展始于1970年代，基于早期電池技術(shù)。經(jīng)年累月，通過材料、結(jié)構(gòu)改進(jìn)，電池性能提升，形成液態(tài)和凝聚態(tài)兩種主要類型，支持了便攜電子設(shè)備對電動(dòng)車的能源需求。
新能源汽車行業(yè)快速擴(kuò)張，受減排需求和政策推動(dòng)，銷量上升。政府和廠商通過補(bǔ)貼、基建、法規(guī)及技術(shù)研發(fā)促進(jìn)市場增長。鋰離子電池技術(shù)進(jìn)一步提高了電動(dòng)車?yán)m(xù)航，縮短充電時(shí)間，盡管面臨充電設(shè)施、電池回收等挑戰(zhàn)，行業(yè)前景仍被看好，將繼續(xù)推動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展。
1 鋰電池?zé)崾Э卦蚍治?/p>
1.1 鋰離子電池
鋰離子電池由正極、負(fù)極、電解液和隔膜四部分組成。正極包含材料、導(dǎo)電劑、粘合劑和集流體；負(fù)極通常用石墨等碳材料，充電時(shí)儲存鋰離子；電解液是有機(jī)溶劑、鋰鹽和添加劑的混合物，作為鋰離子傳輸介質(zhì)；隔膜是微孔絕緣材料，防止正負(fù)極短路。工作原理基于鋰離子在正負(fù)極間的移動(dòng)，放電時(shí)鋰離子從負(fù)極經(jīng)電解液移至正極，充電時(shí)則相反，從而存儲和釋放能量。
1.2 熱失控現(xiàn)象
隨著鋰離子電池在現(xiàn)代電子設(shè)備和電動(dòng)汽車中的廣泛應(yīng)用，其安全性問題尤為重要。在所有潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)中，熱失控事件因其可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果而備受關(guān)注。鋰離子電池的熱失控是一種復(fù)雜的現(xiàn)象，涉及多種化學(xué)反應(yīng)和物理過程，并且常常導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸。理解引發(fā)這一現(xiàn)象的原因?qū)τ诖_保鋰離子電池的安全運(yùn)行至關(guān)重要。
1.3 機(jī)械濫用
機(jī)械濫用是鋰電池?zé)崾Э氐年P(guān)鍵因素，可能導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞、隔膜破裂和內(nèi)部短路，引發(fā)異常電流和局部過熱。若未加控制可能引發(fā)連鎖反應(yīng)導(dǎo)致熱失控。此外，機(jī)械濫用還可能損壞電池外殼，導(dǎo)致電解質(zhì)泄漏，加劇熱效應(yīng)并增加熱失控風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)影響電氣性能。為防熱失控，需采取安全措施和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確保電池不受機(jī)械沖擊變形或破壞[5-6]。
1.3.1 機(jī)械濫用的熱失控誘因及機(jī)理
機(jī)械濫用如擠壓、針刺和碰撞會(huì)引發(fā)電池?zé)崾Э?。擠壓破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致正負(fù)極間接觸產(chǎn)生內(nèi)短路，進(jìn)而放電產(chǎn)熱。溫度升高后，固體電解質(zhì)界面膜分解進(jìn)一步產(chǎn)熱，隔膜溶解無法阻止溫度上升。達(dá)到180度以上時(shí)，電解液和正極材料分解產(chǎn)氣，導(dǎo)致電池膨脹，最終引發(fā)熱失控。
在隔膜材料中，垂直機(jī)械方向的抗拉能力較弱，應(yīng)加強(qiáng)此方向的抗拉能力。實(shí)驗(yàn)顯示[9]，氧化鋁/聚乙烯/氧化鋁雙面陶瓷隔膜的抗拉能力和電池安全性較高。此外，機(jī)械濫用還可能導(dǎo)致電解液泄漏，侵蝕元件或引發(fā)火災(zāi)。
1.3.2 機(jī)械濫用熱失控特性
機(jī)械濫用熱失控的特性包括局部劇烈升溫，熱量積累及蔓延，最終導(dǎo)致起火或爆炸。在電池組中，如果有單體電池因?yàn)闄C(jī)械濫用等原因發(fā)生了局部劇烈升溫，這個(gè)熱量的積累會(huì)導(dǎo)致該單體電池溫度迅速上升。高溫單體電池不僅本身存在安全隱患，還可能引發(fā)周圍其他單體電池也發(fā)生熱失控，造成熱失控現(xiàn)象在整個(gè)電池組內(nèi)部擴(kuò)散，增加了安全風(fēng)險(xiǎn)。除了由于機(jī)械濫用導(dǎo)致的過熱以外，如果電池的連接部件出現(xiàn)松動(dòng)也可能會(huì)造成局部電阻增大，從而引發(fā)局部過熱。
1.4 電濫用
鋰電池的熱失控通常是由內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)失控引起的，這通常涉及電池的過充電、過放電和內(nèi)外短路。當(dāng)電池充電或放電超過其設(shè)計(jì)的電壓或容量限制時(shí)，可能會(huì)引發(fā)電池內(nèi)部的副反應(yīng)，導(dǎo)致內(nèi)部局部電芯過熱，從而觸發(fā)熱失控。此外，如果電池內(nèi)部的隔膜損壞或者電極材料的脫落可能導(dǎo)致正負(fù)極直接接觸，形成內(nèi)部短路，也是熱失控的常見原因之一。內(nèi)部短路會(huì)引發(fā)局部高溫，進(jìn)而觸發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，導(dǎo)致熱失控。
電濫用的熱失控誘因及熱失控特性：電濫用導(dǎo)致的熱失控主要有內(nèi)部短路、外部短路、過充電和過放電等原因。內(nèi)部短路常由隔膜損壞或電極材料脫落引發(fā)，導(dǎo)致局部高溫并觸發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。外部短路則由正負(fù)極意外直接連接引起，電流劇增，溫度上升。過充電發(fā)生在電池超過額定電壓或容量時(shí)，可能因電池管理系統(tǒng)失控、充電環(huán)境異?；螂姵乩匣灰恢乱餥11]，導(dǎo)致內(nèi)部壓力增大，溫度升高，可能引發(fā)熱失控。過放電在電量過低時(shí)繼續(xù)放電，會(huì)破壞化學(xué)平衡，損壞電池結(jié)構(gòu)，增加熱失控風(fēng)險(xiǎn)。
1.5 熱濫用
熱濫用的熱失控誘因：熱濫用導(dǎo)致的鋰電池?zé)崾Э厥窃谶^熱環(huán)境下，電池局部劇烈升溫。溫度超限可能引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，使內(nèi)部溫度和壓力急劇上升。一旦單個(gè)電池單元熱失控，可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，影響整個(gè)電池組的安全。為預(yù)防熱失控，研究人員正在開發(fā)基于多維傳感信號融合的預(yù)警技術(shù)，通過監(jiān)測熱、電、機(jī)械和氣體等特征信號，準(zhǔn)確掌握電池安全狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警。確保電池使用安全需技術(shù)創(chuàng)新與管理措施相結(jié)合。
1.6 BMS（電池管理系統(tǒng)）失效
BMS失效導(dǎo)致的鋰電池?zé)崾Э赝ǔＩ婕半姵毓芾硐到y(tǒng)無法正常監(jiān)測和控制電池的電壓、溫度等關(guān)鍵參數(shù)，從而導(dǎo)致電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)失控。具體來說，當(dāng)電芯隔膜開始大量溶解，電池內(nèi)部發(fā)生大規(guī)模內(nèi)短路時(shí)，電壓會(huì)急劇下降，這是熱失控已經(jīng)無法遏制的一個(gè)明顯信號。在這個(gè)過程中，電芯端電壓是一個(gè)可檢測的電氣參數(shù)，但當(dāng)前的BMS系統(tǒng)只能精確采集到每一個(gè)串聯(lián)模組的電壓，而無法對每一個(gè)電芯進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[7]。
2 鋰電池?zé)崾Э匕l(fā)展過程
2.1 熱失控的誘發(fā)階段
鋰電池?zé)崾Э匕l(fā)展過程中的誘發(fā)階段是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)和外部因素的影響。在這個(gè)階段，電池內(nèi)部可能會(huì)因?yàn)楦鞣N原因產(chǎn)生熱量，這些原因包括制造缺陷、外部損傷如擠壓或針刺等機(jī)械誘因。當(dāng)電池內(nèi)部的溫度逐漸升高，達(dá)到50℃至140℃的范圍時(shí)，電池進(jìn)入自生熱階段。
在這個(gè)階段，如果電池內(nèi)部的熱量無法有效散發(fā)，或者由于外部熱源的影響導(dǎo)致電池溫度繼續(xù)上升，可能會(huì)引發(fā)更嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)。這些反應(yīng)遵循鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的機(jī)制，一個(gè)接一個(gè)地發(fā)生，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度迅速升高。同時(shí)，電池表面還會(huì)通過熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射的方式與外部環(huán)境換熱。
2.2 熱失控的發(fā)展階段
鋰電池?zé)崾Э氐陌l(fā)展階段是整個(gè)熱失控過程中最為關(guān)鍵的部分，這一階段的特征是溫度的迅速上升和化學(xué)反應(yīng)的加速。在自生熱階段，隨著溫度的上升，SEI膜（固態(tài)電解質(zhì)界面膜）開始溶解，這通常發(fā)生在90℃左右。SEI膜的溶解使得負(fù)極材料及其中的嵌鋰碳直接暴露在電解液中，隨后嵌鋰碳與電解液發(fā)生放熱反應(yīng)，導(dǎo)致溫度進(jìn)一步升高。這個(gè)放熱反應(yīng)又促進(jìn)了SEI膜的進(jìn)一步分解，形成了一個(gè)惡性循環(huán)，直至SEI膜完全分解。
當(dāng)溫度超過140℃時(shí)，電池進(jìn)入熱失控階段。此時(shí)，正負(fù)極材料都參與到電化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)物質(zhì)量的增加使得溫度的提升速度更快。這個(gè)階段的反應(yīng)是劇烈的，并且伴隨著大量的熱量釋放，可能導(dǎo)致電池結(jié)構(gòu)的損壞，如隔膜融化等。這個(gè)過程的溫度范圍是140℃至850℃。
2.3 熱失控的失控階段
鋰電池?zé)崾Э匕l(fā)展過程中的失控階段是整個(gè)熱失控過程中最為危險(xiǎn)的環(huán)節(jié)。在這一階段，電池內(nèi)部的反應(yīng)變得非常劇烈，溫度迅速升高，可能引發(fā)一系列嚴(yán)重的后果。
當(dāng)電池溫度超過140℃時(shí)，SEI膜（固態(tài)電解質(zhì)界面膜）會(huì)開始分解，釋放出熱量和氣體，如CO2。隨著溫度的繼續(xù)上升，隔膜開始融化，這通常發(fā)生在140℃左右。隔膜的融化可能導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生內(nèi)短路，進(jìn)一步加劇了溫度的上升，電池的正極材料會(huì)在這時(shí)發(fā)生分解反應(yīng)，釋放大量的熱量和氧氣。
在這個(gè)階段，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)遵循鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的機(jī)制，即一個(gè)反應(yīng)引發(fā)另一個(gè)反應(yīng)，形成一個(gè)惡性循環(huán)。這些反應(yīng)包括電解液的分解、粘結(jié)劑的分解等，都會(huì)釋放出大量的熱量和氣體。這個(gè)過程的溫度范圍是140℃至850℃。
2.4 熱失控的災(zāi)害階段
鋰離子電池?zé)崾Э氐臑?zāi)害階段通常涉及一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和物理過程，這些過程相互作用，導(dǎo)致電池溫度迅速升高，最終可能引發(fā)火災(zāi)或爆炸。
當(dāng)電池溫度達(dá)到一定水平時(shí)，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)會(huì)進(jìn)入一種失控狀態(tài)，這就是所謂的“熱失控”。在這個(gè)狀態(tài)下，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)會(huì)以極快的速度進(jìn)行，產(chǎn)生大量的熱量和氣體。這些熱量和氣體會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力迅速升高，電池發(fā)生大規(guī)模內(nèi)短路，最終可能導(dǎo)致電池殼體破裂、起火或爆炸。
一旦熱失控事件發(fā)生，即使電池溫度重新降至正常水平，電池的性能也可能已經(jīng)嚴(yán)重受損，無法繼續(xù)使用。因此，了解熱失控的機(jī)制以及如何預(yù)防和控制熱失控的發(fā)生對于確保鋰離子電池的安全性至關(guān)重要。
2.5 熱失控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)制
鋰離子電池?zé)崾Э氐逆準(zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)制通常涉及多個(gè)階段，包括化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱、活性物質(zhì)分解、溫度升高和內(nèi)短路等。通常是由機(jī)械濫用導(dǎo)致鋰離子電池出現(xiàn)內(nèi)部短路或外部短路，進(jìn)而導(dǎo)致鋰離子電池電濫用，電濫用大量產(chǎn)熱且熱量沒能得到及時(shí)地散出，然后致使熱濫用的發(fā)生，最后使得鋰離子電池發(fā)生熱失控，主要現(xiàn)象為冒煙、起火、爆炸等。
3 鋰電池?zé)崾Э乜刂萍夹g(shù)的發(fā)展
3.1 鋰電池液冷散熱
應(yīng)對鋰電池?zé)崾Э氐睦鋮s方法包括空氣冷卻、熱管冷卻、相變冷卻、液體冷卻等冷卻方法，但各自都存在換熱效率低、環(huán)境和溫度適應(yīng)性差、成本高導(dǎo)熱系數(shù)低等缺點(diǎn)，而隨著電池能量密度技術(shù)的提升與對散熱能力的需求提高，液體冷卻技術(shù)愈發(fā)重要。其中最高效的一種則是浸沒式液冷，把電池浸泡在非導(dǎo)電的電解質(zhì)中，直接接觸冷卻液，讓電池各面受熱一致，溫度保持均勻。優(yōu)點(diǎn)還包括穩(wěn)定安靜、節(jié)約能源與空間等。對于冷卻液則有沸點(diǎn)高、低黏度、不易揮發(fā)和兼容性好等要求，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定進(jìn)行。氫氟醚是其中一種常見的良好介質(zhì)，如3M公司的Novec系列產(chǎn)品，在單相浸沒式液冷中得到廣泛應(yīng)用。
浸沒式液冷是電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的主要領(lǐng)域之一，目前世界范圍已進(jìn)行了大量研究，但對于不同類型的浸沒式液冷的評價(jià)準(zhǔn)則仍未完善。評估需要考慮諸如溫度、配件質(zhì)量比例、成本等指標(biāo)，并且不能忽視對電池安全和壽命的影響。
3.2 BMS（電池管理系統(tǒng)）優(yōu)化設(shè)計(jì)
優(yōu)化BMS設(shè)計(jì)需考慮硬件精度、軟件功能、結(jié)構(gòu)布局、系統(tǒng)集成和環(huán)境適應(yīng)性，確保電池高效安全運(yùn)行。硬件要精確采集數(shù)據(jù)，軟件監(jiān)控電池狀態(tài)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)集成緊密，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。同時(shí)，考慮成本效益、法規(guī)遵從性和易于更新，以提升性能、保障安全并延長電池壽命，提供更好的用戶體驗(yàn)。
軟件方面，用合適算法監(jiān)控電池狀態(tài)，解決電芯不一致性，支持模塊化架構(gòu)。結(jié)構(gòu)方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化、可維護(hù)，優(yōu)化空間布局和系統(tǒng)集成，提高可靠性和適應(yīng)性。系統(tǒng)集成確保BMS與車輛其他系統(tǒng)緊密協(xié)調(diào)。要求環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，穩(wěn)定運(yùn)行于各種條件?？紤]成本效益，保持市場競爭力。符合法規(guī)，便于維護(hù)更新。這些優(yōu)化提升性能、保障安全、延長壽命，改善用戶體驗(yàn)[7]。
3.3 探索安全材料
優(yōu)化電池性能與安全性主要通過材料創(chuàng)新和技術(shù)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)。研究新電池材料如硅負(fù)極，提升儲能力；改善材料結(jié)構(gòu)，加快充電速度；改良電解液成分，提高低溫活性，減少內(nèi)阻，提升充放電效率與安全性。
在優(yōu)化過程中，計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）模擬電池電化學(xué)和熱力學(xué)過程，幫助理解內(nèi)部反應(yīng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)。3D打印技術(shù)制造關(guān)鍵材料和結(jié)構(gòu)，增加制造靈活性，提升傳輸能力和動(dòng)力學(xué)。
多尺度仿真技術(shù)從原子到組件分析性能，指導(dǎo)材料選擇。整合設(shè)計(jì)制造信息，全流程優(yōu)化。云計(jì)算提高計(jì)算效率，加速開發(fā)測試。精確模型和數(shù)值模擬預(yù)測性能，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)方向。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室研究和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，積累數(shù)據(jù)知識，形成系統(tǒng)優(yōu)化方法。
綜合多學(xué)科技術(shù)方法，科研人員、工程師和制造者共同推動(dòng)電池性能提升。通過這些措施，提高電池能量密度、充放電速度、壽命和安全性，滿足現(xiàn)代需求。
4 結(jié)論
本文審視了車用鋰電池的熱失控特性及其控制方法。通過深入探討了電池?zé)崾Э氐亩喾N原因，并評估目前用于預(yù)防和控制熱失控的策略和技術(shù)，包括電池管理系統(tǒng)（BMS）的優(yōu)化、熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、材料的改進(jìn)以及安全閥的使用。從這些研究中可以看出，盡管在理解與處理鋰電池?zé)崾Э胤矫嬉呀?jīng)取得了重要進(jìn)展，但安全性和高能量密度之間的平衡仍是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)。當(dāng)前的控制策略還需要進(jìn)一步提高其預(yù)測能力和響應(yīng)速度，以便在實(shí)際運(yùn)行中有效地預(yù)防或減輕熱失控事件的影響。
未來工作應(yīng)聚焦關(guān)鍵領(lǐng)域：
（1）發(fā)展高精度監(jiān)測技術(shù)，用先進(jìn)傳感器和機(jī)器學(xué)習(xí)算法及時(shí)檢測電池狀態(tài)。
（2）合作開發(fā)新材料，具備高熱穩(wěn)定性和低化學(xué)反應(yīng)活性，設(shè)計(jì)有效控制熱傳播的結(jié)構(gòu)。
（3）完善熱管理系統(tǒng)，保持適宜溫度，考慮新的能量消散技術(shù)。
（4）制定嚴(yán)格安全標(biāo)準(zhǔn)和測試程序，通過跨學(xué)科合作提供全方位安全保障。
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