隔熱層對鋰電池模組熱失控蔓延特性影響的實驗研究*

常潤澤，鄭 斌，馮旭寧，徐成善，王淮斌，陳立鐸，王有鏜

（1.山東理工大學交通與車輛工程學院，淄博255049；2.清華大學，汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京100084；3.中汽研新能源汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津300300）

前言

《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》提出要推動我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，加快建設(shè)汽車強國［1］。但是電池熱失控引發(fā)的電動汽車起火燃燒等安全事故，阻礙了新能源汽車的發(fā)展［2-4］?！峨妱悠囉脛恿π铍姵匕踩蟆分刑岢觯姵匕蛳到y(tǒng)在由于電池熱失控引起熱擴散、進而導致乘員艙發(fā)生危險之前5 min需要提供一個報警信號，以提醒成員疏散［5-7］，這對動力電池熱安全防護提出了更高的要求。動力電池使用工況復(fù)雜，其熱失控現(xiàn)象不可能完全避免，抑制甚至阻斷電池單體熱失控在模組中的蔓延，是保證車輛乘客生命財產(chǎn)安全的重要手段［8-10］。

在電池熱失控抑制方面國內(nèi)外學者已做出許多探索，Yuan等［11］研究了圓柱電池填充不同間隙材料對其熱蔓延的影響，發(fā)現(xiàn)石墨復(fù)合板等作為填充材料可以有效阻斷圓柱電池熱蔓延。劉得星等［12］采用細水霧抑制了動力電池熱失控的傳播，但采用水霧抑制熱蔓延設(shè)計復(fù)雜，滅火系統(tǒng)難以集成在純電動汽車上。Xu等［13］設(shè)計了帶有微流道冷卻功能的熱管理系統(tǒng)，成功阻止了熱失控蔓延。清華大學的Feng等［14］基于模型仿真分析結(jié)果，選用石棉布作為電池間隔熱層，成功阻斷了熱失控的蔓延，但由于石棉布對人體危害較大，不能應(yīng)用于熱蔓延阻斷。氣凝膠被稱為“最輕的隔熱材料”，納米纖維材料是具有良好力學性能的隔熱材料，這些材料也被用于電池模組熱蔓延阻斷［15］，但是目前缺少氣凝膠和納米纖維材料應(yīng)用于大容量電池模組熱蔓延抑制的對比實驗研究。

本文中選用了兩種從國內(nèi)某氣凝膠廠家購買的氣凝膠材料（陶瓷氣凝膠和預(yù)氧化絲氣凝膠）以及從國內(nèi)某保溫材料廠購買的一種納米玻璃纖維材料作為電池間隔熱層，進行了模組熱蔓延實驗?；趯嶒灲Y(jié)果分析不同材料對模組熱蔓延相關(guān)特征的影響，提出了模組熱安全設(shè)計的思路和建議，以期對電動汽車電池熱安全防護設(shè)計有一定的指導作用。

1 熱蔓延實驗系統(tǒng)與方案

1.1 實驗系統(tǒng)

本文中搭建的熱蔓延實驗系統(tǒng)由電池模組、數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)和實驗安全防護系統(tǒng)組成，實驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 熱蔓延實驗系統(tǒng)

（1）電池模組

用于實驗的電池模組由4節(jié)方殼電池、3片隔熱片、2塊云母板、1塊加熱器和外部銅質(zhì)夾具構(gòu)成，所述帶有隔熱層的模組爆炸圖如圖2（a）所示。模組中電池是正極配比為NCM523的三元鋰離子電池，容量50 A·h，長寬高分別為150、100、26 mm，實驗前將電池電量充至100%SOC。加熱器功率為440 W，其作用是加熱觸發(fā)電池熱失控；云母片厚度為10 mm，其作用是將電池與銅質(zhì)夾具隔開，防止加熱器和電池模組熱量散失；銅質(zhì)夾具作用為固定電池模組并為模組提供預(yù)緊力，保證電池與隔熱層之間緊密貼合，經(jīng)過壓力傳感器測試預(yù)緊力為1 500 N。

（2）數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括錄像機、數(shù)據(jù)采集儀、熱電偶和電壓線。錄像機用于記錄電池模組熱蔓延過程的實驗現(xiàn)象，熱電偶和電壓線的作用為采集溫度和電壓信號，數(shù)據(jù)采集儀用于記錄實驗過程中熱電偶和電壓線采集的溫度和電壓信號。實驗用數(shù)據(jù)采集器型號為HIOKI_LR8400，考慮到電池熱失控反應(yīng)迅速而劇烈，溫度傳感器采樣頻率設(shè)置為0.1 s。為防止溫度過高燒壞熱電偶，采用了耐高溫的K型熱電偶，并將熱電偶頭部用聚酰亞胺膠帶包裹并粘貼在如圖2（c）所示的溫度檢測點。圖2（c）中溫度檢測點均位于所標注平面的中心位置，圖中測溫點編號與所在位置對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 測溫點編號及對應(yīng)位置

圖2 熱蔓延實驗方案

（3）安全防護系統(tǒng)

實驗安全防護系統(tǒng)由防爆箱、排風裝置、噴淋裝置和隔熱裝置組成。防爆箱和噴淋裝置作用是在模組失控劇烈時及時撲滅火焰，保護實驗室安全；排風裝置作用是及時抽走熱失控釋放出的煙氣，防止煙氣遮擋錄像機鏡頭；隔熱裝置材質(zhì)為氣凝膠，目的是防止模組在熱蔓延過程中熱量通過模組底部的金屬板向周圍傳遞，保證實驗一致性。

1.2 實驗方案

實驗采用控制變量的方法，改變模組中電池與電池之間隔熱層的材質(zhì)，分別選用納米玻璃纖維、陶瓷氣凝膠和預(yù)氧化絲氣凝膠，進行了3組熱蔓延抑制實驗。

此外，引入Wang等［16］完成的無隔熱層電池模組的熱蔓延實驗作為對照，其使用的無隔熱層電池模組中的4電池緊密排列且電池型號與本文中使用的電池相同，圖2（b）為無隔熱層電池模組的爆炸圖，圖2（d）為該實驗測溫點的位置與測溫點的編號。本文電池模組中隔熱層的材質(zhì)及其參數(shù)如表2所示。

表2 隔熱層材質(zhì)與參數(shù)

實驗開始時，開啟加熱器加熱Cell1，當Cell1發(fā)生熱失控時迅速關(guān)閉加熱器。隨后，熱失控將依次由Cell1順序蔓延至Cell4，此過程中由數(shù)據(jù)采集儀和錄像設(shè)備記錄實驗數(shù)據(jù)和電池模組熱蔓延過程。

實驗中，電池觸發(fā)熱失控的判定條件為電池前表面溫度監(jiān)測點溫升速率dT/dt≥1℃/s，持續(xù)3 s以上，模組中Cell1~Cell4發(fā)生熱失控時刻依次由ton，1~ton，4表示。

進一步地，可以利用式（1）來定義實驗中熱失控蔓延的時間間隔。

式中Di，i+1為第i節(jié)電池到第i+1節(jié)電池熱失控蔓延的時間間隔，s。

電池模組完全熱蔓延時長D用式（2）計算，電池模組中各節(jié)電池平均蔓延時長-D用式（3）計算，k為模組中包含的電池節(jié)數(shù)。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 熱蔓延時間特征

熱蔓延的時間特征是電池模組熱安全性重要的評價標準［2］。圖3為采用不同類型隔熱層的電池模組的熱蔓延時間特征，圖中標注為Heat的圖例表示加熱器加熱Cell1使其發(fā)生熱失控的時長。

由圖3可知，無隔熱層時電池模組（4號實驗）的熱失控速度很快，各節(jié)電池平均熱蔓延時長僅為44.6 s，模組完全熱蔓延時長為134 s。當電池之間設(shè)置納米玻璃纖維隔熱層（1號實驗）時，電池模組的熱失控被有效抑制，各節(jié)電池平均蔓延時長為373 s，整個模組完全熱蔓延時長1 121 s，各節(jié)電池平均熱蔓延時長較無隔熱層模組增加了836%。當隔熱層設(shè)置為陶瓷氣凝膠（2號實驗）時，電池模組的熱蔓延用時進一步延長，各節(jié)電池平均熱蔓延時長為756 s，整個模組完全熱蔓延時長2 269 s，模組各節(jié)電池平均熱蔓延時長較納米玻璃纖維增加了202%。當隔熱層設(shè)置為預(yù)氧化絲氣凝膠（3號實驗）時，其對電池模組的熱失控抑制效果繼續(xù)增強，各節(jié)電池熱蔓延平均用時延長至1 045 s，整個模組完全熱蔓延時長延長至3 137 s，模組各節(jié)電池平均熱蔓延時長較納米玻璃纖維增加了279%。

圖3 不同隔熱層熱蔓延時間

整體對比有隔熱層電池模組（1~3號實驗）與無隔熱層電池模組（4號實驗）的熱蔓延時間可知，具有隔熱層的電池模組其各節(jié)電池平均熱蔓延時長和模組整體熱蔓延時長長于無隔熱層的電池模組。這是因為隔熱層增加了電池之間的熱阻，減緩了失控電池向其相鄰電池的熱量傳遞，使得其相鄰電池的溫度上升相對緩慢。但是模組中的隔熱層僅具有延緩熱量傳遞的作用，并不能減少兩節(jié)電池之間的熱量傳遞，相鄰電池的溫度仍會不斷上升，最終發(fā)生熱失控。因此使用隔熱層的電池模組還不能完全阻斷熱失控的蔓延。

將使用納米玻璃纖維隔熱層的模組（1號實驗）與使用氣凝膠類隔熱層的電池模組（2號實驗、3號實驗）對比可知，氣凝膠類材料熱蔓延抑制效果優(yōu)于納米纖維材料。這是因為納米玻璃纖維耐高溫性能較差，在高溫環(huán)境出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，纖維結(jié)構(gòu)破壞，導致其熱阻下降；而氣凝膠材料中的增強纖維具有較好的力學性能和耐高溫性能，能夠在電池發(fā)生熱失控時保持纖維結(jié)構(gòu)，因此其熱阻也相對較高。

圖3 中使用預(yù)氧化絲氣凝膠的電池模組熱蔓延時間比使用陶瓷氣凝膠的電池模組增加了138%，可見預(yù)氧化絲氣凝膠材料熱蔓延抑制效果優(yōu)于陶瓷纖維氣凝膠材料。

2.2 熱蔓延溫度特征

熱蔓延的溫度特征也是評價動力電池熱安全的重要指標［2］。圖4為熱蔓延實驗過程中使用不同隔熱層模組的溫度隨時間變化曲線。由于對照實驗所用電池模組電池與電池之間沒有隔熱層，因此1B與2F、2B與3F、3B與4F溫度曲線重合。

對比圖4中納米玻璃纖維（1號實驗）與氣凝膠類材料（2號實驗、3號實驗）溫度曲線，電池模組熱蔓延溫度曲線呈現(xiàn)出兩種截然不同的趨勢。由于電池熱失控高溫情況下，兩類材料導熱系數(shù)不同，當熱失控發(fā)生時，纖維類隔熱層后表面（未失控電池前表面）溫度迅速上升至250℃后溫升速率下降，呈現(xiàn)出拋物線狀的升溫趨勢，如圖4（a）中2F、3F、4F曲線所示；而氣凝膠類隔熱層后表面（未失控電池前表面）溫度先迅速上升至250℃附近，隨后溫度停止上升并緩慢下降，如圖4（b）中2F、3F、4F曲線所示。由此可見氣凝膠類材料抑制失控電池熱量傳遞的效果優(yōu)于納米纖維類材料。

圖4 不同隔熱層模組熱蔓延溫度特征

使用氣凝膠隔熱層的實驗中Cell2~Cell4電池在其前表面溫度呈現(xiàn)下降趨勢的情況下仍然發(fā)生了熱失控。這是因為其前表面溫度雖然呈現(xiàn)下降趨勢，但此溫度數(shù)值已經(jīng)超過了電池的自產(chǎn)熱溫度，電池內(nèi)部已經(jīng)開始發(fā)生一系列緩慢的放熱反應(yīng)。因此其內(nèi)部溫度仍持續(xù)上升，一段時間后電池內(nèi)部溫度達到熱失控臨界溫度，電池發(fā)生熱失控。電池前表面溫度表現(xiàn)出緩慢的下降狀態(tài)是因為方殼電池的鋁制殼體較強的導熱性能使得其前表面的熱量能夠快速的傳遞到鋁殼的其他位置。

圖5 為4次實驗中各節(jié)電池上的測溫點在熱蔓延過程中的最高溫度。對比圖中不同模組熱蔓延過程中的最高溫度可知，在電池之間添加隔熱層具有降低電池熱失控最高溫度的作用。

圖5 各模組熱蔓延最高溫度分布

由圖5可知，不同模組中各節(jié)電池的最高溫度幾乎都出現(xiàn)在電池前表面，這是因為電池前表面既受到前一節(jié)失控電池側(cè)向加熱（或加熱器側(cè)向加熱）又受到其自身熱失控釋放出的熱量的影響。而使用隔熱層的各個模組中的各節(jié)電池最高溫度相差無幾，可見改變模組中隔熱層的材質(zhì)對該模組在熱蔓延過程中的最高溫度并無明顯影響。

2.3 熱蔓延電壓特征

熱蔓延過程中各節(jié)電池電壓隨時間變化如圖6所示，圖中U1~U4為各個實驗中Cell1~Cell4的電壓數(shù)值。由圖6可知，當電池發(fā)生熱失控時其電壓會迅速由4.2 V降至0，是否添加隔熱層對其電壓下降趨勢并沒有明顯影響。

圖6 不同隔熱層模組熱蔓延電壓特征

2.4 熱蔓延噴閥特征

圖7 為無隔熱層模組（4號實驗）各節(jié)電池熱失控噴閥時的狀態(tài)，無隔熱層的電池模組中各節(jié)電池發(fā)生熱失控時，其泄壓閥閥口噴發(fā)出強烈的火焰，且噴發(fā)結(jié)束后電池表面出現(xiàn)著火現(xiàn)象。

圖7 無隔熱層模組熱蔓延噴閥

圖8 和圖9分別為使用納米玻璃纖維隔熱層模組（1號實驗）和使用陶瓷氣凝膠隔熱層模組（2號實驗）各節(jié)電池熱失控噴閥和噴閥之后的圖片。對比兩組圖片可以發(fā)現(xiàn)，兩次實驗中電池發(fā)生熱失控時均是先噴發(fā)出大量的火星，噴發(fā)結(jié)束后冒出大量白煙或出現(xiàn)短暫的著火現(xiàn)象，并沒有出現(xiàn)大規(guī)模且劇烈的著火現(xiàn)象。

圖8 使用納米玻璃纖維隔熱層模組熱蔓延噴閥與冒煙現(xiàn)象

圖9 使用陶瓷氣凝膠隔熱層模組熱蔓延噴閥與冒煙現(xiàn)象

圖8 和圖9中實驗現(xiàn)象表明采用不同類型隔熱材料的模組，其熱蔓延過程的噴閥現(xiàn)象并無太大差別。綜合對比圖7與圖8、圖9中的實驗現(xiàn)象可知，添加隔熱層可以在一定程度上防止熱蔓延過程中電池的噴發(fā)著火現(xiàn)象。

3 隔熱材料微觀SEM形貌

前文提到，隔熱層材質(zhì)不同對動力電池熱失控蔓延特征會產(chǎn)生不同程度的影響，其根本原因是不同隔熱層材質(zhì)在電池發(fā)生熱失控時導熱系數(shù)不同。而材料導熱系數(shù)與其自身的微觀結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系，圖10為模組中所用不同材質(zhì)隔熱層的微觀SEM形貌。

圖10 （a）中納米玻璃纖維放大倍數(shù)為500倍，其纖維直徑有粗有細，且纖維在空間中縱橫交錯分布；圖10（b）中陶瓷氣凝膠放大倍數(shù)也為500倍，其纖維與纖維之間由大量氣凝膠填充；圖10（c）中預(yù)氧化絲氣凝膠放大倍數(shù)為200倍，其纖維較長，粗細均勻且纖維之間間隙較大，纖維之間填充有少量氣凝膠顆粒。

圖10 實驗前隔熱材料SEM形貌

為探究熱蔓延過程對模組中隔熱層材質(zhì)導熱系數(shù)的影響，對各模組實驗后的隔熱層取其內(nèi)部未污染部分觀察其SEM微觀形貌，圖11為實驗后模組中所用不同材質(zhì)隔熱層的微觀SEM形貌。

圖11 （a）中納米玻璃纖維分布明顯較實驗前更加密集，使得纖維之間固體傳熱量增加，此外圖11（a）中還有少量熔滴分布，說明熱蔓延過程中部分纖維已開始融化，空間結(jié)構(gòu)受到高溫和壓力的破壞，其隔熱性受影響較大。圖11（b）為陶瓷氣凝膠，其纖維上的凝膠已明顯因高溫融化，但其纖維仍保持一定空間結(jié)構(gòu)，由此推測該材料仍具有一定隔熱性能。實驗后的預(yù)氧化絲氣凝膠為圖11（c），其微觀形貌與實驗前相差不大，這表明預(yù)氧化絲氣凝膠在熱蔓延過程中并未發(fā)生明顯的變形或融化現(xiàn)象，因此其在熱蔓延過程中仍保持較強的隔熱能力。

圖11 實驗后隔熱材料SEM形貌

4 實驗結(jié)果與其他熱蔓延隔熱抑制方案的綜合對比與分析

對于電池材料體系及容量與本文相同的模組熱蔓延隔熱抑制方案，采用由式（3）計算的各節(jié)電池的平均蔓延時長-D來比較；對于體系或容量與本文實驗所用電池不同的方案，則比較該方案基于無隔熱層模組熱蔓延的改善程度。

4.1 不同隔熱材料的對比

齊創(chuàng)等［18］采用與本文相同體系及容量的電池，并采用陶瓷纖維紙作為隔熱層進行了模組熱蔓延實驗，還進一步建模與仿真計算了隔熱層為云母和硅膠的模組熱蔓延情況。圖12為不同熱蔓延隔熱抑制方案的對比圖。由圖可知，本文的這3種隔熱材料對模組熱蔓延的改善程度均優(yōu)于文獻［18］中列舉的3種隔熱材料。圖12中的6種隔熱材料中氣凝膠類材料的熱蔓延抑制效果較好，但其生產(chǎn)成本較高，想要大批量應(yīng)用于電動汽車模組中需要進一步降低成本；納米玻璃纖維、云母片、陶瓷纖維紙等生產(chǎn)成本低，但熱蔓延抑制效果一般；硅膠隔熱性能較差，不適合用于熱蔓延抑制。

圖12 不同熱蔓延隔熱抑制方案對比

4.2 不同隔熱方案的對比

李煌［19］用38 A·h的三元鋰離子電池組成模組，探究了聚氨酯和環(huán)氧樹脂兩種隔熱涂料噴涂對熱失控在模組中蔓延的抑制作用，發(fā)現(xiàn)采用聚氨酯涂料和采用環(huán)氧樹脂涂料的模組其熱蔓延總時長相比無隔熱層方案分別延長了121.8%和276.1%。與圖3中數(shù)據(jù)對比可知，本文中提到的在模組中添加隔熱層的熱蔓延抑制方案明顯優(yōu)于上述隔熱涂料噴涂的方案。同時，使用隔熱涂料噴涂的方式抑制熱蔓延其噴涂過程操作難度較大，實用性較差。

5 結(jié)論

采用控制變量的方法，對具有不同隔熱層材質(zhì)的電池模組進行了熱蔓延實驗，從不同角度對比分析了不同隔熱層對模組熱蔓延的影響，最后觀察了不同隔熱材質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)論如下。

（1）模組中加入隔熱層具有延長電池熱失控蔓延時間、降低模組中電池熱失控最高溫度和防止電池失控噴閥時著火的作用。

（2）不同材質(zhì)隔熱層對模組熱蔓延時間特征有不同的影響。使用納米玻璃纖維隔熱層時，模組內(nèi)電池平均熱蔓延時長為373 s，其熱蔓延時長較無隔熱層的模組延長了836%；當使用陶瓷氣凝膠隔熱層時模組熱蔓延抑制效果增強，其平均熱蔓延用時是使用玻璃纖維模組的202%，達到756 s；當使用預(yù)氧化絲氣凝膠隔熱層時，模組的熱蔓延抑制效果進一步增強，熱蔓延用時是使用納米玻璃纖維模組的279%，達到1 045 s。

（3）納米纖維類隔熱層與氣凝膠類隔熱層導熱系數(shù)不同，這使使用不同材質(zhì)隔熱層的模組熱蔓延過程的溫度特性不同。當發(fā)生熱失控時，納米玻璃纖維隔熱層背面（未失控電池前表面）溫度迅速上升至250℃后，溫升速率降低，溫度呈拋物線狀上升；而氣凝膠材質(zhì)隔熱層背面（未失控電池前表面）溫度在上升到250℃后停止上升且出現(xiàn)緩慢的下降。

（4）使用不同材質(zhì)隔熱材料對模組熱蔓延過程的噴閥現(xiàn)象和熱蔓延過程電池的最高溫度沒有明顯影響。

（5）是否使用隔熱層及所使用隔熱層的材質(zhì)對模組熱蔓延過程中電壓下降趨勢無明顯影響。