如何探究清楚热失控蔓延的机制，有效地对热失控的蔓延进行阻隔？

锂离子动力电池作为电动汽车的主流动力源，具有高比能量的特点。而目前汽车用动力电池多采用数量较多的小容量电池进行串并联成组以满足高能量的要求。这样，汽车动力电池系统的安全问题就不再仅仅是电池单体的安全问题，而是电池成组安全问题。近年发生的汽车动力电池事故，均是由于电池组中的某一个电池单体发生热失控后产生大量热，导致周围电池单体受热产生热失控。这样，电池组内的热失控蔓延问题就是电池成组安全问题的主要关注点。

如果探究清楚热失控蔓延的机制，有效地对热失控的蔓延进行阻隔，使热失控局限于电池单体，就可以将危害降到最低。目前针对电池热失控蔓延的研究还不多，近些年电池安全问题受到关注之后有部分学者对动力电池热失控蔓延进行了试验和仿真研究。电池热失控蔓延的有效防控技术的相关研究也在开展。本工作将围绕热失控蔓延机制及建模研究、热失控蔓延安全防控技术这两个方面，对其研究现状进行综述，并探讨热失控蔓延相关研究的发展方向。

重点内容导读

1热失控蔓延机制研究现状

1.1热失控蔓延机理研究

已经有大量学者进行了锂离子动力电池单体的热失控机理的研究。图1为某款NCM三元/石墨锂离子动力电池单体的热失控机理，可以看到热失控发生时，各种材料相继发生热分解反应，使得电池体系内部温度不可逆的快速升高。具体包括：SEI膜分解，负极与电解液反应，正极分解，电解液分解，电解液燃烧等。电池热失控过程的放热速率开始时是缓慢增加的，直到某一温度点时，放热速率开始快速增加，电池进行剧烈的能量释放，称为热失控触发温度（TRonset）。

图1三元/石墨锂离子动力电池单体热失控反应机理

FENG等针对6节25A·h三元锂离子电池组成的串联模块，进行了针刺触发的热失控实验，进而对热失控蔓延机理做了分析。当方壳型电池发生热失控时，通过电池正面接触而产生的侧向加热非常剧烈，导致被加热电池内部在厚度方向上温度梯度很大，热失控蔓延的发生是由于电池前端面温度达到热失控触发温度来判定，见图2。

（a）热失控蔓延温度分布

（b）电池中心温度

图2方壳电池热失控蔓延过程示意图

热失控的发生意味着隔膜的崩溃，同时发生大规模内短路，因而对于两节并联电池，在热失控蔓延过程中，电压下降和热失控发生时间呈现一定的相关性，见图3。

图3热失控蔓延电压特性

1.2热失控蔓延模型研究

单体热失控模型是热失控蔓延模型的基础，因此，下面将分别针对单体电池热失控建模与热失控蔓延建模方面的研究进行概述。

图4热失控蔓延三维模型的温度分布

1.3热失控蔓延影响因素

影响热失控蔓延特性的因素有很多，首先是电池本身的热失控特性，如电池热失控特征温度、能量释放速率等；其次电池的散热条件以及电池之间的传热条件，如前所述，热量传递是电池组热失控蔓延的重要原因，因此传热特性也是直接影响热失控蔓延速率的重要因素；另外，电池发生热失控时会喷出高温气体和颗粒混合物，这些气体具有可燃性，极易发生起火，这些高温喷出物以及喷出物燃烧产生的火焰会加热周围电池，从而加速热失控蔓延的进程；除此以外，电池之间的电连接也会影响热失控的蔓延。

（a）

（b）

图5热失控蔓延热流途径分析

（a）M型连接

（b）S型连接

图6两种并联连接形式

2热失控蔓延防控技术研究现状

目前已有的热失控蔓延防控方面的研究是从模组或电池包的角度，主要通过热管理的手段，抑制热失控在电池之间的蔓延，以防止电池包中一节电池发生热失控后，逐渐蔓延到周围电池。对于方壳型电池来说，通过防控技术使得相邻电池前端面温度无法达到热失控触发温度TRonset，就可以实现热失控蔓延的抑制。

2.1空气冷却

空气冷却是一种较为简单的热管理方法，且由于其在成本和体积效率上的优势被一些混合动力汽车采用，例如丰田Prius、EncrlThinkCity等。

图7空冷流道设计

2.2液冷

液冷系统通常由水泵驱动液体流动，液体不与电池直接接触，而是通过金属管、冷板等方式实现电池向冷却液中的热量传递，通常需要外部换热器件来实现冷却液中的热量散到环境中。由于冷却液一般具有较高的比热容，因此较容易实现电池组温度的一致性。并且具有较好的冷却效果，可以保证较大倍率下电池温度仍然在较合理的温度范围内。其缺点是冷却系统复杂，有管道、水泵、换热器等辅助器件，增加了系统的复杂度，同时冷却液的泄露风险也带来了新的安全性问题。

（a）常规管道液冷系统

（b）水凝胶液冷系统

图8常规管道液冷与水凝胶液冷

2.3相变冷却

风冷和水冷方法，除了还在研究中的水凝胶方法以外，都是主动冷却方法，需要在系统中加入额外的驱动器件，导致系统复杂度变高，而以相变冷却为主要手段的被动冷却在这方面优于风冷和液冷。相变材料冷却热管理可以分为固液相变和液汽相变。

图9PCM相变材料及铝冷却块冷却效果对比

2.4应急冷却技术

应急冷却技术是指当检测到电池热失控的发生时，针对热失控及其周围电池进行冷却剂喷淋，以降低局部温度，达到抑制热失控蔓延的目的。

2.5防火安全性设计

电池发生热失控，常常伴随着高温气体的喷出，由于喷气气流速度快、电池内部结构被破坏，电池内部部分材料会随气流一起喷出。这些喷出物一方面温度较高，接触周围电池会加速热失控的蔓延；另一方面具有可燃性，喷出过程极易产生火星，喷出后在空气环境中易于起火。如何对喷出物进行火灾防控，是需要研究的重要问题。

燃料电池在实用性和经济方面并不占优势，但这种情况可能刚刚被改变。有一种新的电池可以在与汽车发动机相当的温度下使用廉价的燃料，并且降低材料的成本。

佐治亚理工学院(GeorgiaInstituteofTechnology)的研究人员说，虽然这个电池目前只停留在实验室里，但它有很大的潜力，有朝一日可以为住宅和汽车提供电力。

在《自然能源》(NatureEnergy)杂志上发表的一项最新研究中，研究人员详细描述了他们如何在新发明的燃料催化剂的帮助下重新构造整个电池。这种催化剂并不使用昂贵的氢燃料，取而代之的是便宜且容易得到的甲烷。

整个电池改进的最大突破在于降低了的电池的工作温度，而这在甲烷燃料电池中很常见，这是一项惊人的工程成就。甲烷燃料电池通常需要750到1000摄氏度的温度才能运行。这个新引擎只需要500摄氏度左右即可正常工作，这甚至比运行在600摄氏度左右的汽车内燃机还要低一个档次。这种较低的温度可能会让操作燃料电池所需的辅助技术的成本大幅降低，从而有可能推动这种新型电池实现商业化。

研究人员相信工程师们可以通过适当的努力，在这种燃料电池周围设计出电力装置，这是以前的甲烷燃料电池所没有的。

首席研究员MeilinLiu在佐治亚理工学院的实验室中拿着一个新的、实用的、价格合理的燃料电池单元。

感觉就像进入了新的世界

领导这项研究的是乔治亚理工学院材料科学与工程学院的教授刘美林(MeilinLiu)，他说，我们的电池可以制造出一个简单、健壮的整体系统，使用廉价的不锈钢来制造连接器。连接器是帮助将许多燃料电池组合到一个堆栈或功能单元的部件。在750摄氏度以上的高温下，没有一种金属能在不被氧化的情况下经受住这样的高温，所以你在获取材料方面会遇到很多麻烦，而且这些材料非常昂贵和脆弱，而且有可能会污染电池。

当我们把温度降低到500摄氏度，感觉就像进入了一个新的世界。Liuslab的研究生研究助理、该研究的首批作者之一本.德吉利(BendeGlee)说，很少有人尝试过这种方法。当温度那么低的时候，工程师设计堆栈和连接技术的工作就会容易得多。

而且，这种新型电池并不需要一种称为蒸汽转化器的主要辅助设备，一般情况下需要蒸汽转化器将甲烷和水转化为氢燃料。Liu，deGlee以及联合第一作者于晨(YuChen),Liuslab博士后研究员，和堪萨斯大学的共同第一作者YuTang于2018年10月29日发表了他们的研究成果。他们的工作由美国能源部的基础能源科学办公室和高级研究项目机构(ARPA-E)资助。它还得到了国家化学科学基金会的资助。

博士后研究员于晨(YuChen)在佐治亚理工学院梅林刘实验室的一个单元中设置了新的燃料电池。

分布式发电

这项研究基于一种具有商业可行性的燃料电池，固体氧化物燃料电池(SOFC)。SOFC以其在燃料使用上的多功能性而闻名。

如果投入市场，尽管这种新型电池在一段时间内可能无法为汽车提供动力，但作为一个更加分散、更清洁、更廉价的电网的一部分，它可以更快地被安置在地下室。

燃料电池堆本身的大小相当于一个鞋柜，加上一些辅助系统使其运行。希望你能像安装无水箱热水器一样安装这个设备。它将用天然气为你的房子供电，刘说。

“这将为社会和工业节省下建造新发电厂和大规模电网的巨大成本。这将使家庭和企业的供能更加独立。这种系统被称为分布式发电，我们的赞助商想要开发这种系统。”

自制的氢

氢是燃料电池的最佳燃料，但其成本过高。

研究人员研究出了如何通过新型催化剂将燃料电池中的甲烷转化为氢气。这种催化剂由铈、镍和钌制成，化学配方为Ce0.9Ni0.05Ru0.05O2，简称CNR。

当甲烷和水分子接触到催化剂和热量时，镍就会在化学上分解甲烷分子。钌同样适用于水。由此产生的部分会以非常理想的氢(H2)和一氧化碳(CO)的形式重新组合在一起，研究人员惊奇地发现这两种物质得到了很好的利用。在大多数燃料电池中，CO会导致性能问题，但在这里，CO被用作燃料。

包括全新技术在内的层叠式创新使研究人员能够重构燃料电池，使其在较低温度下使用甲烷运行。图中绿色的是钌镍基催化剂，是新燃料电池中的一种创新材料。

发电过程

H2和CO继续进一步形成构成阳极的催化剂层，将一部分电子从燃料电池中拉出，使得一氧化碳和氢气带正电子。电子通过导线向阴极移动，产生电流。在那里，极度需要电子的氧吸收电子，关闭电路，变成氧离子。电离的氢和氧以水的形式相遇并离开系统；一氧化碳和氧离子相遇形成纯二氧化碳，可以被捕获。

相对于产生的能量来说，燃料电池技术产生的二氧化碳比内燃机少得多。在一些燃料电池中，初始反应中的水必须从外部引入。在这个新的燃料电池中，它在最后一个反应阶段得到补充，这就形成了水，然后循环回去和甲烷反应。

催化剂聚合

新的催化剂CNR是由堪萨斯大学的研究合作者制造的，是电池阳极一侧的外层，同时也是防止衰变的保护剂，延长了电池的寿命。

CNR的内层和电池的另一侧阴极都有很强的串联催化剂。在阴极端，氧的反应和通过系统的运动通常是出了名的慢，但是Liu的实验室最近通过使用纳米纤维阴极来加快它的速度以提高输出电流，实验室在之前的研究中开发了这种纳米纤维阴极。(见先前的研究：一种定制的双钙钛矿纳米纤维催化剂使超快氧进化)这些不同的催化剂的结构，以及纳米纤维阴极，让我们可以降低工作温度，

结语

动力电池热失控蔓延的主要影响因素是传热、电连接、喷出物起火。对于方壳及软包电池来说，传热可能是最重要的影响因素。当方壳型电池发生热失控时，热失控蔓延的发生是由于电池前端面温度达到热失控触发温度TRonset来判定。为了对热失控蔓延过程进行仿真研究，可以建立不同维度的热失控蔓延模型，其中三维模型的仿真准确度最高，可获得的信息最多，但计算量也最大。

在热管理方面，目前多数研究还是从正常工况下的温度控制角度进行，针对热失控蔓延抑制的研究还不太多。在几种热管理手段中，液冷、相变冷却、应急冷却可能是抑制热失控蔓延较有效的方法。热管理系统在考虑管理效果的同时，还要考虑其对电池组成组效率、成本增加、复杂程度等方面的影响。防火安全性设计目前主要是一些简化的试验研究，缺乏有力的数据支撑，因此有必要从电池热失控可燃性气体成分、流动等角度，为防火设计提供更多的理论研究基础。