當今，各個車企都在動力電池上大規(guī)模使用鋰電池，且能量密度越來越高，但是人們對動力電池的安全還是隨之色變，并不能很好的解決電池的安全問題。熱失控是動力電池安全性的主要研究對象，值得大家重點關注。

首先，讓我們了解什么是熱失控，熱失控指的由各種誘因引發(fā)的鏈式反應現(xiàn)象，導致電池在短時間內(nèi)散發(fā)出的大量熱量和有害氣體，嚴重時甚至會引起電池著火和爆炸。導致熱失控發(fā)生的原因有很多，比如過熱、過充、內(nèi)短路、碰撞等。電池熱失控往往從電池電芯內(nèi)的負極SEI膜分解開始，繼而隔膜分解熔化，導致負極與電解液發(fā)生發(fā)應，隨之正極和電解質(zhì)都會發(fā)生分解，從而引發(fā)大規(guī)模的內(nèi)短路，造成了電解液燃燒，進而蔓延到其他電芯，造成了嚴重的熱失控，讓整個電池組產(chǎn)生自燃。

一、熱失控階段的劃分

熱失控的階段的劃分方法存在著不同的說法，核心應該是，跨越了哪個點，熱趨勢將無法逆轉(zhuǎn)。有理論認為這個點是隔膜的大規(guī)模溶解。在此之前，溫度降下來，物質(zhì)活性下降，反應會減緩。一旦突破這個點，正負極已經(jīng)直接相對，電芯內(nèi)部溫度不可能被降低，無法終止反應的繼續(xù)了。該理論將熱失控劃分為三個階段，自生熱階段（50℃-140℃），熱失控階段（140℃-850℃），熱失控終止階段（850℃-常溫），一些文獻提供的隔膜大規(guī)模融化溫度起始于140℃。

自生熱階段，又被叫做熱積累階段，它開始于SEI膜的溶解。SEI膜在溫度達到90℃左右的時候，其溶解現(xiàn)象就會被明顯的觀察到SEI膜的溶解，使得負極以及負極內(nèi)包含的嵌鋰碳成分直接暴露在電解液里，嵌鋰碳與電解液發(fā)生放熱反應，造成溫度升高。溫度的上升反過來促進了SEI膜的進一步分解。如果沒有外部降溫手段的作用，這個過程會滾動向前，直至SEI膜全部分解。

熱失控階段是指溫度超過140℃以后，正負極材料都加入了電化學反應的行列，反應物質(zhì)量的增加，使得溫度的提升速度更快了。外部可以觀測到的參數(shù)變化，是電壓的急劇下跌，其過程被描述為：達到這個溫度區(qū)間后，隔膜開始大量融化，正負極直接連通，造成大規(guī)模短路的發(fā)生。至此，熱失控已經(jīng)開始，不會再停下來。短時間內(nèi)，劇烈的反應生成大量氣體的同時生成大量的熱，熱量又給氣體加熱，膨脹的氣體沖破電芯殼體，發(fā)生物質(zhì)噴射之類的現(xiàn)象，四散的物質(zhì)也帶走了部分熱量。熱失控達到了最激烈的狀態(tài)。最高溫度也在這個階段到達。如果周圍有其他電芯，則在此階段，通過把熱量向周圍傳播，熱失控可能向其他電芯蔓延。熱量可能通過連接的導電件傳導，也可能因為體積膨脹，原來保有間距的電芯，在此時已經(jīng)彼此貼緊，電芯殼體之間直接傳導熱量。

熱失控終止階段。熱失控一旦發(fā)生，其終止只能是反應物全部燃盡。消防部門的一份報告顯示，對于鋰電池這種封閉殼體內(nèi)包含高能量的裝置，消防手段暫時無法終止正在進行的熱失控。滅火劑，無法真正觸及正在進行的反應物質(zhì)。消防員在火場風險很高，但能夠采取的措施比較有限，一般就是隔離事故現(xiàn)場。只有待反應物耗盡，熱失控過程才能自然終止。

二、熱失控的原因分析

導致熱失控的原因可分為內(nèi)因和外因。內(nèi)因往往是由于內(nèi)部短路導致的；外因是由于機械濫用、電濫用、熱濫用等原因?qū)е碌?，具體可參考下圖所示：

內(nèi)部短路，就是電池的正負極直接接觸，接觸的程度不同，引發(fā)的后續(xù)反應也差別很大。通常由機械和熱量濫用引起的大規(guī)模內(nèi)短路將直接觸發(fā)熱失控。相反，內(nèi)部自行發(fā)展的內(nèi)短路，程度比較輕微，它產(chǎn)生的熱量很少，不會立即觸發(fā)熱失控。內(nèi)部自行發(fā)展常見的包括制造瑕疵，電池老化造成的各種性能的衰退，如內(nèi)阻增大，長期輕度不當使用造成的鋰金屬沉積等等，隨著時間的積累，這種內(nèi)因造成內(nèi)短路的風險會逐漸增加。

機械濫用，指的是在外力作用下，鋰電池單體、電池組發(fā)生變形，自身不同部位發(fā)生相對位移。針對電芯的主要形式包括碰撞、擠壓和穿刺。比如車輛高速行駛中觸碰的異物，直接導致了電池內(nèi)隔膜崩潰，進而造成了電池內(nèi)短路，短時間內(nèi)引發(fā)了自燃。

鋰電池的電氣濫用，一般包括外短路，過充，過放幾種形式，其中最容易發(fā)展成熱失控的要屬過充電。外短路，當存在壓差的兩個導體在電芯外部接通時，外部短路就發(fā)生了。電池組的外部短路可能是由于汽車碰撞引起的變形，浸水，導體污染或維護期間的電擊等。與穿刺相比，通常，外部短路釋放的熱量不會加熱電池。從外部短路到熱失控，中間的重要環(huán)節(jié)是溫度到達過高點。當外部短路產(chǎn)生的熱量無法很好的散去時，電池溫度才會上升，高溫觸發(fā)熱失控。因此，切斷短路電流或者散去多余熱量都是抑制外短路產(chǎn)生進一步危害的方法。過充電，由于其飽含能量，是電氣濫用中危害最高的一種。熱量和氣體的產(chǎn)生是過充電過程中的兩個共同特征。發(fā)熱來自歐姆熱和副反應。首先，由于過量的鋰嵌入，鋰枝晶在陽極表面生長。

鋰枝晶開始生長的時點，由陰極和陽極的化學計量比決定。其次，鋰的過度脫嵌導致陰極結(jié)構(gòu)因發(fā)熱和氧釋放而崩潰。氧氣的釋放加速了電解質(zhì)的分解，產(chǎn)生大量氣體。由于內(nèi)部壓力的增加，排氣閥打開，電池開始排氣。電芯中的活性物質(zhì)與空氣接觸以后，發(fā)生劇烈反應，放出大量的熱。過放電，電池組內(nèi)電池之間的電壓不一致是不可避免的。因此，一旦BMS未能具體監(jiān)控到任何單個電池的電壓，具有最低電壓的電芯將被過度放電。過放電濫用的機制與其他濫用形式不同，其潛在的危險可能被低估。

在過放電期間，電池組中具有最低電壓的電池可以被串聯(lián)連接的其他電池強制放電。在強制放電期間，極點反轉(zhuǎn)，電池電壓變?yōu)樨撝?，導致過放電電池異常發(fā)熱。過放電引發(fā)的溶解的銅離子遷移通過膜并在陰極側(cè)形成具有較低電位的銅枝晶。隨著生長不斷升高，銅枝晶可能穿透隔膜，導致嚴重的內(nèi)短路。

局部過熱可能是發(fā)生在電池組中典型的熱濫用情況。熱濫用很少獨立存在，往往是從機械濫用和電氣濫用發(fā)展而來，并且是最終直接觸發(fā)熱失控的一環(huán)。除了由于機械/電氣濫用導致的過熱之外，過熱可能由連接接觸松動導致接觸熱阻增大引起的引起。熱濫用也是當前被模擬最多的情形，利用設備有控制的加熱電池，以觀察其在受熱過程中的反應。

三、熱失控防護措施

從上述分析可以看出熱失控重在預防和監(jiān)測，只要需要在自生熱階段進行抑制熱失控的發(fā)生，因為一旦發(fā)生熱失控就無法進行拯救了，只能進行被動防護。

在自生熱階段為抑制電芯發(fā)生熱失控，我們有兩種方案，一是對電芯的材料進行改良升級，熱失控的本質(zhì)主要在于正負極材料以及電解質(zhì)的穩(wěn)定性。未來還需要在正極材料包覆、改性，同體電解質(zhì)與電極的相容性以及提高電芯的導熱方面進行更高的突破?；蜻x用安全性高的電解液，起到阻燃的效果。二是需要從外部出發(fā)，采用高效的熱管理方案，抑制鋰電池的溫升，從而保證電芯的SEI膜不會上升到溶解溫度，自然就不會發(fā)生熱失控。

但是萬一達到熱失控階段，電池包就會發(fā)生劇烈的燃燒甚至發(fā)生爆炸，我們需要做的是對電池包內(nèi)部進行防護，從而進一步防止熱蔓延現(xiàn)象的發(fā)生。熱失控防護可以從模組及電池包兩個級別進行防護。在模組上，我們可以通過在電芯間放置氣凝膠氈、云母阻燃材料、陶瓷隔熱墊等來減緩失控電芯向周邊電芯熱量的傳遞，也可以在模組內(nèi)部放置相變材料，利用相變材料吸熱氣化的特性從而將失控電芯產(chǎn)生的熱量排出。

在電池包級別上，可以在模組與模組之間、模組與殼體之間放置云母板等隔熱材料，由于云母板的導熱系數(shù)較低（在0.3w/m*k以下），且耐溫較高，在短時間內(nèi)可承受1200℃的高溫，絕緣性能優(yōu)異，故可以防止熱量向周邊件的傳遞，也可以防止電芯失控后產(chǎn)生的噴射物語周邊件產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象。也可以在電池包內(nèi)部噴涂膨脹涂層（雙組份環(huán)氧樹脂），利用高溫膨脹為泡沫層后的特性進行隔熱。

另外當發(fā)生熱失控時電芯內(nèi)部會發(fā)生大量的短路現(xiàn)象，導致電壓急劇下降，我們可以通過電壓采集來向用戶告知該現(xiàn)象，此外還可以通過溫度的上升速率、電池包內(nèi)氣壓的急劇變化、煙霧傳感器等來感知該現(xiàn)象，從而作為乘員逃生的報警信息。

四、總結(jié)

目前行業(yè)大致已經(jīng)摸清了熱失控的發(fā)生機制，未來的研究更多集中在電池本體安全，熱管理，熱失控中早期的預測預警，晚期的通知和傳遞阻礙等方面。相信隨著行業(yè)專家不斷的求索探究，電池的熱失控問題會在不久的將來得到較為周全的解決方案，屆時，人們可以更放心無憂地駕駛電動汽車，安心地大規(guī)模使用儲能產(chǎn)品，從而享受清潔能源帶來的全新生活方式。

審核編輯 ：李倩