鋰離子電池?zé)崾Э胤揽丶夹g(shù)研究進(jìn)展

張越超，高秀玲，高金津

(天津市捷威動力工業(yè)有限公司，天津 300380)

0 引 言

鋰離子電池憑借其自身的優(yōu)勢，在諸多領(lǐng)域當(dāng)中都已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，顯著推進(jìn)了電動汽車、便攜式電子設(shè)備以及分布式儲能系統(tǒng)的發(fā)展。不過與此同時，鋰離子電池在安全方面的技術(shù)研究還有待進(jìn)一步的加強，如鋰離子電池可能在各種因素的影響下，或是由于其自身的劣化，而發(fā)生熱失控，可能造成燃燒甚至爆炸等方面的安全問題，因此對鋰離子電池?zé)岚踩揽丶夹g(shù)的研究與完善，就成為了進(jìn)一步推廣鋰離子電池安全應(yīng)用的前提。

1 鋰離子電池?zé)岣綦x裝置

為提高鋰離子電池的安全性，首先要選用有效的熱隔離裝置。鋰離子一旦發(fā)生熱失控，在電芯內(nèi)各區(qū)域間、以及電芯之間的熱擴展速度非?？欤瑫a(chǎn)生大量的熱以及可燃、可爆性煙霧，危險性非常高。通過采用熱隔離裝置，可以抑制電芯內(nèi)部的熱擴展速率，從而降低熱失控概率，或降低電芯之間的熱擴展速率和擴展程度，降低電池包整體的危害性。

通常來說，熱隔離的材料越厚的話，其對于鋰離子電池的安全性保護(hù)功能越強，但是在實踐當(dāng)中，卻并不能一味的通過增加材料厚度來為鋰離子電池提供安全保護(hù)，因為隨著材料的增厚，電池的散熱又會出現(xiàn)問題，并且電池模組的重量，還會大大的增加。因此，在鋰離子電池?zé)岣綦x裝置方面，還需要更加科學(xué)、合理的研究和設(shè)計。例如應(yīng)當(dāng)通過對熱隔離裝置的結(jié)構(gòu)配置，或是材料選擇等，來優(yōu)化熱隔離效果。李婧霞等人[1]在研究中指出，在正極材料LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)中加入Li Mn2O4(LMO)和LiFePO4(LFP)，制備成混合正極材料LMO/LFP/NCA，使小顆粒的LMO和LFP材料均勻地分散在NCA二次顆粒表面和NCA顆粒之間的空隙中，將熱穩(wěn)定性更高的LMO和LFP附著在熱穩(wěn)定性低的NCM材料表面和空隙中，起到材料層級的隔熱作用，可以抑制、減緩NCA的熱反應(yīng)；同時，也減少了NCA與電解液的副反應(yīng)，得到安全性能與循環(huán)性能皆優(yōu)的電池。

王大鵬等人[2]的研究證明，電池表面對流傳熱系數(shù)可以抑制電池表面溫度。另有公司專門設(shè)計了電池夾層結(jié)構(gòu)，這種夾層結(jié)構(gòu)的中間部分，是一層具有良好耐熱性的材料，兩邊則是導(dǎo)熱材料，這樣既保證了電池散熱，又阻隔了熱傳遞。

2 鋰離子電池?zé)崾Э仡A(yù)警

胡曉亞等人[3]指出，在鋰離子電池的安全防控中，熱失控預(yù)警是最基本的技術(shù)措施，其重點需要從兩個方面對電池情況走出監(jiān)測。第一個方面，是對單個電池各項關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測，如溫度、電流、電壓等；第二個方面，是對整個電池組的監(jiān)測，動態(tài)分析電池組在運行過程當(dāng)中是否存在異常情況。

在實際的熱失控防控技術(shù)需求中，對于鋰離子電池的電流、電壓以及溫度等參數(shù)，都需要進(jìn)行動態(tài)和實時的監(jiān)測，高飛等人[4]指出這種監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性、精準(zhǔn)度，主要取決于傳感器。當(dāng)前，鋰離子電池?zé)崾Э氐谋O(jiān)控傳感器，以光纖布拉格光柵傳感器最受研究關(guān)注，它屬于是一種間接測量傳感器。如在工作中，電池的溫度超過了預(yù)先設(shè)定的某一標(biāo)準(zhǔn)，光纖的傳輸就會發(fā)生質(zhì)量變化，以此作為早期故障判斷的依據(jù)，發(fā)出相應(yīng)警報。

廖正海等人[5]在其研究當(dāng)中指出，評價鋰離子電池運行安全性的諸多因素中，內(nèi)部氣體擴散是需要引起高度重視的。因為鋰離子電池如果出現(xiàn)了熱失控方面的問題和隱患，隨著溫度的升高，便會產(chǎn)生氣體，這是需要引起高度重視的，所以可以根據(jù)氣體來判斷鋰離子電池的熱安全性。蘇偉等人[6]在研究中指出，當(dāng)前通常可以利用紅外光譜氣體測量儀，來對可能產(chǎn)生的一氧化碳、二氧化碳進(jìn)行監(jiān)測，并發(fā)出警報。

3 鋰離子電池消防安全

鋰離子電池?zé)岚踩鹿?，可能會?dǎo)致發(fā)熱甚至爆炸，因此在其熱安全防控中，必須要考慮到消防安全處置。在這方面，應(yīng)用得較早的是氣體滅火系統(tǒng)，其能夠在鋰離子電池的運行過程當(dāng)中，通過氣體進(jìn)行滅火，保證安全。不過需要引起重視的是，在氣體滅火完成之外，在鋰離子電池的內(nèi)部，依然可能存在強烈的放熱反應(yīng)，導(dǎo)致火災(zāi)再次發(fā)生。為此，相比于氣體滅火而言，超細(xì)水霧對鋰離子電池的滅火效果更加良好，其既能夠在短時間內(nèi)，撲滅明火，同時還可以降低電池的熱度，防止火災(zāi)再次復(fù)燃。

徐雪春[7]在研究中提出，當(dāng)前雖然可以用于鋰離子電池消防安全的技術(shù)方法較多，但是其實際效果是存在明顯差異的，尤其是在抑制電池溫度方面的表現(xiàn)上，差異較大。當(dāng)前，已有相關(guān)的研究證明，如果采用全室噴水或水霧滅火系統(tǒng)，電池的內(nèi)部是難以受到影響的，也就是說其內(nèi)部火場不能被撲滅。水和低膨脹泡沫等熱容量高的滅火劑具有快速冷卻和滅火的作用。低膨脹泡沫降低了水的表面張力，這會提高水滲透的可能性，而高黏度的滅火劑不會擴散到電池火場。熱容量較小的滅火劑，如高膨脹泡沫和氮氣，冷卻效果較差，但如果設(shè)計合理，仍然可以實現(xiàn)滅火。

目前鋰離子電池消防安全所使用的滅火劑主要有三類，第一類是氣態(tài)滅火劑，第二類是液態(tài)滅火劑，第三類是固態(tài)滅火劑。其中二氧化碳、HFC、IG-541等，都屬于是氣態(tài)滅火劑，其雖然能夠起到滅火的作用效果，但是基本不具備降溫能力，比熱容較小。全氟己酮、水成膜泡沫、A-B-D、F-500等，屬于是液態(tài)滅火劑，其一方面是能夠?qū)馂?zāi)起到有效的撲滅效果，同時更能降低電池的溫度，具有較大的比熱容。磷酸銨鹽、氯化鈉、硫酸銨、超細(xì)干粉等，則屬于是固態(tài)滅火劑。其滅火原理是化學(xué)抑制和窒息滅火，滅火效果較差，氣溶膠類滅火劑的主要作用是發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生大量的煙霧，達(dá)到窒息滅火的目的。

除了滅火材料的選擇之外，滅火系統(tǒng)自身是否具有科學(xué)性、適用性，對其消防安全保障效果也具有直接的影響。例如，滅火系統(tǒng)首先需要敏感的傳感器作為前端，監(jiān)測、探查是否或火災(zāi)發(fā)生，以便做出快速、及時、租期內(nèi)的反應(yīng)。如有研究人員發(fā)明了一種滅火系統(tǒng)，當(dāng)熱失控事件發(fā)生并被傳感器感知后，基于液汽相變除熱原理的惰性高壓制冷劑將通過電池組內(nèi)特殊設(shè)計的路徑噴射出來。還有研究人員嘗試通過閉環(huán)空氣冷卻系統(tǒng)，來對鋰離子電池的溫度進(jìn)行控制，如果發(fā)生了火災(zāi)事件，便經(jīng)由螺線閥控制的進(jìn)氣口將惰性氣體噴射到電池組。還有研究發(fā)明了一種電動汽車電池自動滅火裝置，將電池箱內(nèi)的電池組置于用高溫陶瓷板隔離的分離框內(nèi)，框外有滅火蓋板和PC膠管，膠管連接滅火器管道，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時膠管破裂就會噴出滅火粉末滅火。類似這種阻燃防爆的裝置還有很多，大部分采用了一個防火耐熱的電池組外殼，和內(nèi)置一個自動滅火器。

杜煒凝等人[8]在研究中明確的提出，現(xiàn)目前在鋰離子電池的消防安全技術(shù)中，雖然有諸多的技術(shù)方法可以用于滅火，但是其效果差異較大，而且在具體的技術(shù)方式上，缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這是需要重點解決的問題。不過已有不少的安全設(shè)計，旨在進(jìn)一步增強系統(tǒng)的安全保護(hù)功能。其基本思想主要基于處理熱失控時釋放能量的方法，能量釋放的主要途徑是通過其他途徑釋放電化學(xué)能量。如何將實用的硬件/軟件與電池系統(tǒng)設(shè)計相結(jié)合，提高電池系統(tǒng)的整體安全性，是未來的一個重點研究方向，這樣這樣的技術(shù)能夠成熟，并得到廣泛的推廣、應(yīng)用，則可以大大提高鋰離子電池的安全性。

在鋰離子電池儲能技術(shù)的研究與發(fā)展過程當(dāng)中，對于其熱安全防控技術(shù)的研究，我們同樣應(yīng)當(dāng)加強重視力度，因為只有不斷提高鋰離子電池的安全性，才能使其得到更大范圍的推廣、應(yīng)用，發(fā)揮出更大的作用價值。