隔熱材料布局方式對(duì)280 Ah磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э貍鞑ヒ种菩Ч挠绊?/h1>
2024-03-19 11:51:32雷旗開金凱強(qiáng)王青松
儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù) 2024年2期
雷旗開，余 胤，彭 鵬，陳 滿，金凱強(qiáng)，王青松
（1南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司儲(chǔ)能科研院，廣東 廣州 510000；2中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026）
鋰離子電池由于具備高比能量、循環(huán)次數(shù)高以及自放電少等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用在電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能電站等領(lǐng)域，隨著鋰離子電池需求量的增加，它的安全問題變得越來越重要[1]。然而，一旦鋰離子電池暴露在諸如熱濫用[2]、機(jī)械濫用等[3]條件下就很有可能發(fā)生熱失控(thermal runaway, TR)[4-6]，在釋放出大量可燃?xì)怏w的同時(shí)產(chǎn)生大量熱量，這很有可能引起火災(zāi)甚至是爆炸事故，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來威脅。更為危險(xiǎn)的是，當(dāng)模組中的單體電池發(fā)生熱失控時(shí)，如果該模組沒有采取相應(yīng)的安全措施，它就會(huì)向相鄰的電池傳遞熱量并導(dǎo)致其發(fā)生熱失控，從而引起整個(gè)電池模組的熱失控傳播(thermal runaway propagation, TRP)[7]，造成更大的安全隱患。
由于鋰離子電池在熱失控之前的產(chǎn)熱量很少[8]，因此電池?zé)崾Э氐囊l(fā)需要比較長(zhǎng)的一段時(shí)間來進(jìn)行熱量積累[9]，如果能在電池發(fā)生熱失控之前使用相變材料[10]或者液冷[11]來帶走電池產(chǎn)生的額外熱量，就能夠有效避免電池發(fā)生熱失控。但是這些方式有不少的弊端：相變材料易燃且導(dǎo)熱能力弱，而液冷需要消耗額外的能量來維持運(yùn)轉(zhuǎn)。一旦電池發(fā)生熱失控，僅依靠前面這兩種手段單獨(dú)作用已經(jīng)無法抑制電池的熱失控傳播，因此可以通過將相變材料和液冷結(jié)合[12]來提升吸熱和散熱能力，從而達(dá)到阻止熱失控傳播的目的，但是這種方法無法應(yīng)對(duì)更加極端的情況。因此可以在電池發(fā)生熱失控時(shí)主動(dòng)噴出冷卻介質(zhì)[13]來避免熱失控傳播，但是這種方法不太適用于空間有限的場(chǎng)景，所以大多數(shù)時(shí)候都是利用隔熱層來阻止熱失控電池向相鄰電池傳遞熱量[14]。然而在實(shí)際應(yīng)用中，為了避免隔熱層進(jìn)一步加劇電池模組溫度分布不均的問題，往往是將隔熱層與熱管理方法結(jié)合使用。比如將氣凝膠與液冷板結(jié)合[15]，可以實(shí)現(xiàn)在電池模組正常運(yùn)行時(shí)的熱管理，并且在電池發(fā)生熱失控后，利用氣凝膠隔絕熱量傳遞的同時(shí)讓液冷板有足夠多的時(shí)間帶走額外的熱量。但是這種手段需要利用液冷，增加體積的同時(shí)消耗額外的能量，因此可以通過制作新的隔熱材料來解決散熱與隔熱的矛盾，例如通過將石蠟吸附進(jìn)多孔隔熱材料里面[16]，在借助石蠟進(jìn)行熱管理的同時(shí)利用多孔材料的隔熱性保證電池模組的安全。
鋰離子電池的高能量密度是其廣泛應(yīng)用的一大優(yōu)勢(shì)，然而隔熱材料的使用在一定程度上可能會(huì)降低電池模組的能量密度。為了解決這一問題，本研究利用玻纖氣凝膠和陶瓷纖維棉進(jìn)行了一系列熱失控傳播抑制實(shí)驗(yàn)。研究中設(shè)計(jì)了兩種模組布局方式：第一種是單塊阻隔模組，包含三塊電池，每塊電池之間都放置隔熱材料；第二種是間隔阻隔模組，包含四塊電池，隔熱材料僅放置在第二和第三塊電池之間。通過實(shí)驗(yàn)，我們研究了隔熱材料種類、厚度以及布局模式對(duì)熱失控傳播抑制效果的影響。該研究成果在保證了電池模組安全性的前提下，一定程度上緩解了隔熱材料使用與電池模組能量密度之間的矛盾。
2 實(shí)驗(yàn)方法
2.1 電池樣品及隔熱材料
電池樣品：本文中使用的電池是商用280 Ah磷酸鐵鋰方形電池，這款電池重5420 g，電池尺寸為173.7 mm×72 mm×207.5 mm，充放電截止電壓分別為3.65 V 和2.5 V。在實(shí)驗(yàn)開始之前，用20 A 的電流將電池以恒流放電方式放電至2.5 V，然后在相同的電流下以恒流-恒壓方式充電至100%荷電狀態(tài)，隨后擱置24 h 以確保電池內(nèi)部電化學(xué)穩(wěn)定。
隔熱材料：在本文中使用了玻纖氣凝膠及陶瓷纖維棉來阻止280 Ah 磷酸鐵鋰電池模組的熱失控傳播，兩種隔熱材料在常溫下的熱導(dǎo)率分別為0.03、0.04 W/(m·K)，其中玻纖氣凝膠的厚度包括1 mm 和2 mm；本文沒有選用成本更低的聚氨酯隔熱材料，是因?yàn)榫郯滨ジ魺岵牧系母邷啬褪苄暂^差，不太適用于阻斷鋰離子電池的熱失控傳播。
2.2 隔熱材料布局設(shè)計(jì)
如圖1所示，本實(shí)驗(yàn)采用了兩種隔熱材料布局方式進(jìn)行熱失控阻隔實(shí)驗(yàn)。第一種方式是在每塊電池之間都放置隔熱材料，旨在單塊電池發(fā)生熱失控時(shí)及時(shí)阻止熱失控傳播，最大限度地降低危險(xiǎn)性并保護(hù)未失控電池。然而，為了滿足實(shí)際情況中的空間需求，很多儲(chǔ)能系統(tǒng)不會(huì)在每個(gè)電池之間都添加阻隔材料。因此，為了在進(jìn)一步提高能量密度的同時(shí)保證電池模組的安全，我們采取了另一種布局方式，在電池單元之間放置隔熱材料。在本文中，我們選擇了兩塊電池作為一個(gè)電池單元，進(jìn)行單元之間的熱失控傳播阻隔實(shí)驗(yàn)。該布局方式的目的是當(dāng)一個(gè)單元內(nèi)部發(fā)生熱失控時(shí)，選擇放棄這個(gè)單元，并避免熱失控傳播至下一個(gè)單元，以探索熱失控傳播是否能在經(jīng)過兩塊電池之后被阻止。通過這種方式，不僅能保證電池模組的安全性，還能減少隔熱材料所占據(jù)的空間，緩解隔熱材料的使用與電池模組能量密度之間的矛盾。不僅如此，在實(shí)驗(yàn)中，我們采用了金屬夾具對(duì)所有模組進(jìn)行固定，并為了更好地模擬現(xiàn)實(shí)中電池所處密閉箱體散熱困難的情況，在電池模組的四周以及底部都使用了隔熱棉進(jìn)行包裹，以減小其向環(huán)境的散熱。
圖1 單塊阻隔模組（a）和間隔阻隔模組（b）中隔熱材料的布局示意圖Fig.1 Schematic diagram of the layout of thermal insulation materials in individual insulation module(a) and spacer insulation module (b)
2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置
如圖2(a)所示，所有實(shí)驗(yàn)均在防爆箱中進(jìn)行，在每個(gè)電池的前后表面以及側(cè)面都布置一根直徑為1 mm的K型熱電偶[圖2(b)]，溫度測(cè)點(diǎn)分別用Tn,f、Tn,s以及Tn,b來表示，熱電偶的誤差為±1 ℃，在實(shí)驗(yàn)過程中全程收集熱電偶的數(shù)據(jù)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程都用攝影機(jī)進(jìn)行記錄。在本研究中，如果電池因自身產(chǎn)熱導(dǎo)致的溫升超過1 ℃/s，則判定其發(fā)生熱失控。在所有實(shí)驗(yàn)中，都使用功率為500 W的加熱板來觸發(fā)第一塊電池的熱失控，加熱板尺寸與電池前表面完全一樣，將加熱板開啟的時(shí)間作為實(shí)驗(yàn)的起始時(shí)間，一旦電池發(fā)生熱失控，立刻關(guān)閉加熱板。實(shí)驗(yàn)布置如表1 所示，實(shí)驗(yàn)n（Experiment n）用En表示。
表1 熱失控傳播阻隔實(shí)驗(yàn)匯總Table 1 Summary of TRP barrier experiments
圖2 (a)防爆箱及實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖及(b)熱電偶布局示意圖Fig.2 (a) Schematic diagram of explosion-proof box and experimental setup; (b) Schematic diagram of thermocouples layout
3 結(jié)果與討論
3.1 隔熱材料種類對(duì)熱失控傳播的影響
圖3 給出了實(shí)驗(yàn)1 中電池模組在熱失控傳播過程中的溫度變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加熱開始時(shí)，電池1 不斷接收加熱板的熱量，因此電池1 的前表面溫度開始迅速上升，隨著時(shí)間推移，電池內(nèi)部的溫度亦會(huì)逐漸升高。此時(shí)電池1內(nèi)部會(huì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氣體的同時(shí)釋放熱量，產(chǎn)生的氣體會(huì)在電池內(nèi)部積累并導(dǎo)致電池內(nèi)壓增大，釋放的熱量會(huì)進(jìn)一步地加熱電池導(dǎo)致其溫度繼續(xù)升高。隨著時(shí)間的推移，當(dāng)電池1內(nèi)部的氣體累計(jì)到一定極限時(shí)，電池內(nèi)部的壓力會(huì)達(dá)到安全閥門的開啟閾值，因此電池1 在2814 s 時(shí)出現(xiàn)了安全噴射行為(safety venting，SV)，此時(shí)安全閥門瞬間打開并伴隨著劇烈的響聲，電池內(nèi)部噴出大量的氣體與電解液，噴出的物質(zhì)會(huì)帶走電池內(nèi)部的一部分熱量，從而導(dǎo)致電池溫度出現(xiàn)輕微的下降。接下來，受到加熱板和電池內(nèi)部自身產(chǎn)熱的共同作用，電池的溫度進(jìn)一步上升，從而引起電池內(nèi)部出現(xiàn)更多的放熱反應(yīng)，在經(jīng)過142 s 之后，電池1 內(nèi)部的放熱反應(yīng)達(dá)到不可逆狀態(tài)，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量并且釋放出大量的氣體，即發(fā)生熱失控（2956 s）。熱失控后電池1的前表面溫度開始劇烈上升，溫升速率最高可達(dá)9.2 ℃/s，最終其峰值溫度(T1,fmax)達(dá)到了582.7 ℃。隨后電池1 出現(xiàn)了第二次劇烈產(chǎn)氣，這是因?yàn)樵摽铍姵貎?nèi)部有兩個(gè)卷芯，因此在電池內(nèi)部也會(huì)存在熱失控傳播行為。整個(gè)過程中，電池1內(nèi)的卷芯2 持續(xù)受到加熱板以及卷芯1 的加熱，尤其在卷芯1發(fā)生熱失控時(shí)，會(huì)有大量的熱量傳遞給卷芯2，最終導(dǎo)致卷芯2發(fā)生熱失控，從而出現(xiàn)電池1的第二次劇烈產(chǎn)氣。在電池1 發(fā)生熱失控的過程中，電池2 一直受到電池1 的加熱，與電池1 的熱失控過程類似，電池2 內(nèi)部一直在積聚氣體和熱量，電池2 的安全閥門在3382 s 時(shí)打開，最終在3617 s 時(shí)電池2 發(fā)生熱失控，T2,f峰值達(dá)到了603.4 ℃。隨后，大量熱量傳遞到電池3，在4154 s時(shí)電池3的安全閥門打開，并最終在4413 s時(shí)引發(fā)了電池3的熱失控，熱失控傳播過程中主要事件的時(shí)間節(jié)點(diǎn)總結(jié)在表2中。可以發(fā)現(xiàn)在整個(gè)熱失控傳播過程中，三塊電池的前表面峰值溫度都顯著高于后表面峰值溫度，其原因可能是：前一塊電池的后表面與后一塊電池的前表面緊密貼合在一起，當(dāng)前面電池的卷芯2熱失控時(shí)，大量的熱量會(huì)通過鋁殼接觸面往后面電池傳遞，從而導(dǎo)致電池的后表面溫度普遍較低，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因后續(xù)將會(huì)進(jìn)一步分析。
表2 空白實(shí)驗(yàn)傳播過程中各事件發(fā)生的時(shí)間節(jié)點(diǎn)Table 2 The time node of each event in the process of TRP
圖3 空白實(shí)驗(yàn)傳播下電池模組的溫度曲線Fig.3 Temperature curves of the battery module without insulation materials
如圖4(a)所示，當(dāng)實(shí)驗(yàn)2 中的電池1 受到加熱后，在2087 s 時(shí)電池1 的安全閥門打開，此時(shí)T1,f溫度出現(xiàn)輕微下降，939 s后，電池1的卷芯1發(fā)生熱失控(3026 s)，T1,fmax為532.8 ℃。隨后經(jīng)歷110 s，熱失控從電池1的前表面?zhèn)鬟f至后表面。當(dāng)電池之間加入2 mm 玻纖氣凝膠后，電池1 的前后表面峰值溫度差異很小，前后表面溫差現(xiàn)象明顯減弱，這是因?yàn)椴＠w氣凝膠阻止了絕大部分熱量從電池1 的后表面?zhèn)鬟f至電池2，這也進(jìn)一步解釋了實(shí)驗(yàn)1中出現(xiàn)電池前后表面溫差的現(xiàn)象。由于加熱板開啟的時(shí)間較長(zhǎng)，所以當(dāng)電池1持續(xù)受到加熱板的加熱時(shí)，加熱板也會(huì)向電池2傳遞小部分熱量，導(dǎo)熱電池2 的前表面溫度輕微上升。電池1 發(fā)生熱失控后，雖然向電池2 傳遞大量的熱量，但電池1 與電池2之間的玻纖氣凝膠有效阻止和延遲了熱量的傳遞，具體體現(xiàn)在電池2 的前表面溫升相對(duì)于電池1 的后表面溫升而言會(huì)稍稍延緩。當(dāng)電池2 的前表面溫度達(dá)到峰值(213.2 ℃)時(shí)，電池1與電池2之間的傳熱達(dá)到一瞬間的平衡，等同于電池1不再向電池2 傳遞熱量，即電池2 前表面接收到的熱量及自產(chǎn)熱的熱量之和等于散熱量及往后傳遞的熱量之和，后續(xù)電池2的溫度變化完全是由電池2的散熱、內(nèi)部的熱量傳遞以及內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)引起。盡管電池2接收到大量的熱量并出現(xiàn)了膨脹，但其安全閥門并未打開，更沒有發(fā)生熱失控，說明電池2接收到的熱量還不足以引發(fā)熱失控。隨著時(shí)間的推移，熱量逐漸從電池2的前表面?zhèn)鬟f至電池2的后表面，最終電池2 后表面峰值溫度為105.6 ℃。在實(shí)驗(yàn)2的整個(gè)熱失控傳播過程中，電池2的前后表面溫升分別為193.6 ℃以及86.1 ℃。同樣地，電池3在整個(gè)過程中也會(huì)接受到熱量，但由于電池2并沒有發(fā)生熱失控，因此電池3所接收到的熱量很少，其整體溫度不高，電池內(nèi)部沒有出現(xiàn)損壞，依然能正常循環(huán)使用。
圖4 不同隔熱材料阻隔下電池模組的溫度Fig.4 Temperature curves of battery module with different insulation materials
如圖4(b)所示，使用2 mm 厚度的陶瓷纖維棉進(jìn)行熱失控傳播阻隔，當(dāng)加熱進(jìn)行到2118 s時(shí)，電池1 的安全閥門打開，隨后在3074 s 時(shí)發(fā)生熱失控，電池1的安全閥門打開時(shí)間與熱失控發(fā)生時(shí)間的間隔(ΔtSV-TR)為956 s。在電池1發(fā)生熱失控之后，盡管陶瓷纖維棉也能阻止一部分熱量傳遞到電池2，但無法防止電池2 的熱失控?？梢园l(fā)現(xiàn)，正如實(shí)驗(yàn)2 中的現(xiàn)象一樣，電池2 的前表面溫度也會(huì)由于電池1 的傳熱而上升，但實(shí)驗(yàn)3 中的電池2 內(nèi)部產(chǎn)生的氣體及熱量已經(jīng)積聚了很多，最終在3951 s時(shí)電池2的安全閥門打開，隨后在5976 s時(shí)發(fā)生了熱失控，電池2的ΔtSV-TR為2025 s。同樣地，電池3 的熱失控過程與電池2 基本類似，分別在6770 s、9455 s 時(shí)電池3 先后經(jīng)歷開閥以及熱失控，此時(shí)電池3 的ΔtSV-TR為2685 s?？梢园l(fā)現(xiàn)在傳播過程中，實(shí)驗(yàn)3中三塊電池的安全閥門打開時(shí)間與熱失控時(shí)間間隔逐漸從956 s增大至2685 s，不僅如此還可以發(fā)現(xiàn)電池之間熱失控傳播所需的時(shí)間ΔtTR(n-n+1)從2893 s 增大到了3479 s，兩個(gè)時(shí)間間隔都呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。
綜上可以得到結(jié)論：2 mm 厚度的玻纖氣凝膠能夠阻止熱失控傳播，電池2的前后表面溫升分別為193.6 ℃以及86.1 ℃；而2 mm厚度的陶瓷纖維棉不能阻止熱失控傳播，只能延長(zhǎng)閥門打開時(shí)間與熱失控時(shí)間間隔ΔtSV-TR以及熱失控在電池之間傳播所需的時(shí)間ΔtTR(n-n+1)。
3.2 隔熱材料厚度對(duì)熱失控傳播的影響
如圖5(a)所示，加熱板開啟后，電池1 的溫度逐漸上升，其內(nèi)部反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體也在逐漸累積，當(dāng)加熱至2754 s時(shí)，電池1的內(nèi)部氣體壓力達(dá)到了電池安全閥門開啟的閾值，但電池1并沒有出現(xiàn)安全噴射行為，反而是安全閥門出現(xiàn)裂縫并伴隨著“嘶嘶”聲放出氣體，這可能是由于電池的差異性導(dǎo)致的。隨后電池內(nèi)部繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，電池內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生氣體并且釋放熱量，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，電池內(nèi)的產(chǎn)氣速率也在逐漸增大，當(dāng)產(chǎn)氣速率達(dá)到一定程度時(shí)，安全閥門的裂縫已經(jīng)不足以釋放電池內(nèi)部產(chǎn)生的氣體，于是在2948 s時(shí)電池1的安全閥門完全打開，并且在2952 s 時(shí)發(fā)生了熱失控。值得注意的是，電池安全閥門完全開啟至發(fā)生熱失控僅有4 s 時(shí)間間隔，這與通常的磷酸鐵鋰電池先開閥再熱失控的順序并不一致，因此可以推測(cè)這種情況下安全閥門的完全開啟是由于電池已經(jīng)發(fā)生了熱失控，電池?zé)崾Э蒯尫诺拇罅繗怏w將安全閥門完全沖開，因此在安全閥門完全開啟之前電池就已經(jīng)發(fā)生了熱失控。之所以會(huì)出現(xiàn)熱失控在安全閥門完全開啟之前這種現(xiàn)象，是因?yàn)橥ㄟ^電池表面的溫度測(cè)點(diǎn)來進(jìn)行檢測(cè)電池的熱失控節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)短暫的延遲，電池內(nèi)部熱失控引起的溫升需要一定時(shí)間才能傳遞到電池表面。若安全閥門不發(fā)生裂縫行為，則此時(shí)間誤差就不會(huì)顯現(xiàn)，這種情況下閥門出現(xiàn)裂縫的時(shí)刻，就應(yīng)該認(rèn)為該時(shí)刻對(duì)應(yīng)正常電池的安全閥門開啟，后續(xù)的安全閥門完全打開對(duì)應(yīng)的是正常電池的熱失控。隨后，正如實(shí)驗(yàn)2中的情況一樣，電池2接收到電池1 熱量的同時(shí)電池2 內(nèi)部也會(huì)自產(chǎn)熱，電池2 的前表面峰值溫度為248 ℃，經(jīng)過電池2 的內(nèi)部傳熱，電池2 的后表面峰值溫度為112.2 ℃，由于電池2內(nèi)部反應(yīng)的產(chǎn)氣，因此電池2也會(huì)出現(xiàn)膨脹行為，整個(gè)傳播過程中，電池2前后表面的溫升分別為222.6 ℃、86.8 ℃，電池3的溫度很低且依舊能夠正常循環(huán)使用。綜上，1 mm 厚度的玻纖氣凝膠也能阻止熱失控傳播，電池2的前后表面溫升分別為222.6 ℃、86.8 ℃，但是相較于實(shí)驗(yàn)2，實(shí)驗(yàn)4中的電池2溫升更高，發(fā)生熱失控的風(fēng)險(xiǎn)更大。
圖5 (a) 1 mm玻纖氣凝膠單塊阻隔下電池模組的溫度及(b) 2 mm玻纖氣凝膠間隔阻隔下電池模組的溫度Fig.5 (a) Temperature curves of battery module with 1 mm glass fiber aerogel block barrier; (b) Temperature curves of battery module with 2 mm glass fiber aerogel interval barrier
3.3 隔熱材料布局方式對(duì)熱失控傳播的影響
如圖1(b)所示，我們采用了一種新的隔熱材料布局方式進(jìn)行了熱失控傳播阻隔實(shí)驗(yàn)，以四塊電池為模組，將隔熱材料放置在模組中間位置，即以兩個(gè)電芯為一個(gè)單元，將隔熱材料放置在電池單元之間，通過實(shí)驗(yàn)得到該種隔熱材料布局模式與傳統(tǒng)布局模式的區(qū)別。實(shí)驗(yàn)中，我們選用了2 mm厚度的玻纖氣凝膠作為阻隔材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)5中的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)2中的結(jié)果對(duì)比，以探索一種更適合磷酸鐵鋰電池的隔熱材料布局方式。通過實(shí)驗(yàn)得到該種布局模式下的電池模組溫度如圖5(b)所示，與之前的所有實(shí)驗(yàn)相似，隨著加熱板的加熱，電池1的前表面溫度開始上升。經(jīng)過2845 s 的加熱后，電池1的安全閥門打開，并在1203 s之后，電池1內(nèi)的卷芯1發(fā)生熱失控并且蔓延至整個(gè)電池。與此同時(shí)，電池1熱失控產(chǎn)生的熱量通過鋁殼迅速傳遞至電池2，因此電池2 的安全閥門在4315 s 時(shí)打開，并在150 s后發(fā)生熱失控(4465 s)。得益于2 mm的玻纖氣凝膠有效隔斷了電池2與電池3之間的傳熱，因此熱失控并沒有蔓延至第三塊電池，但是熱失控傳播的結(jié)束并不意味著電池模組內(nèi)的傳熱停止。電池3 從加熱開始一直到電池2 熱失控結(jié)束的全過程中，會(huì)接收到來自加熱板以及電池1、電池2熱失控所釋放的熱量。因此電池3的溫度會(huì)出現(xiàn)上升，同時(shí)其內(nèi)部會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體并釋放熱量，導(dǎo)致電池3出現(xiàn)膨脹，但是由于電池3接收到的熱量以及自產(chǎn)熱的熱量之和不足以讓其內(nèi)部反應(yīng)達(dá)到不可逆的階段，最終電池3沒有發(fā)生熱失控。
間隔阻隔和單塊阻隔最大的區(qū)別就是，在間隔阻隔模組中，當(dāng)電池1失控并向電池2傳遞熱量時(shí)，會(huì)有一部分熱量傳遞到電池3，也就是說電池1 熱失控對(duì)電池3 有預(yù)熱效果。但是如表3 所示，在實(shí)驗(yàn)5 的間隔阻隔模組中，電池3 的前后表面溫升分別為168.3 ℃、56 ℃，明顯低于實(shí)驗(yàn)2中單塊阻隔下電池2 的前后表面溫升(193.6 ℃、86.1 ℃)，其原因可能如圖6 所示：①在間隔阻隔模組中(實(shí)驗(yàn)5)，電池2 熱失控的時(shí)候不僅會(huì)往電池3 方向傳熱(E5Q2-3)，還會(huì)往電池1 反向傳熱(E5Q2-1)；②假設(shè)實(shí)驗(yàn)過程中熱失控電池釋放出來的熱量相同，同時(shí)忽略兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中的散熱，這意味著模組其他部位從熱失控電池接收到的熱量相同，即實(shí)驗(yàn)2 中電池1傳遞給電池2 的熱量近似等于實(shí)驗(yàn)5 中電池2 傳遞給電池1與電池3的熱量之和(E2Q1-2=E5Q2-1+E5Q2-3)；③在實(shí)驗(yàn)5 中，盡管電池3 也會(huì)接收到電池1 熱失控傳遞過來的熱量(E5Q1-3)，但是該部分熱量小于電池2 往前傳遞給電池1 的熱量(E5Q1-3＜E5Q2-1)。以上多種因素導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)2 中電池2 接收到的總熱量大于實(shí)驗(yàn)5 中電池3 接收到的總熱量(E2Q1-2＞E5Q1-3+E5Q2-3)，最終體現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)5 中的受保護(hù)電池溫度比實(shí)驗(yàn)3中的要低。綜上，采取間隔阻隔方式，受保護(hù)電池并不會(huì)更加危險(xiǎn)，這也說明了該種減少隔熱材料占據(jù)空間的布局方式能保證電池模組的安全。
表3 熱失控阻隔實(shí)驗(yàn)中受保護(hù)電池的前后表面溫升Table 3 The temperature rise of the front and back surfaces of the protected battery in each experiment
圖6 不同隔熱材料布局方式下模組內(nèi)部傳熱示意圖Fig.6 Schematic diagram of internal heat transfer in modules under different layout of thermal insulation materials
4 結(jié) 論
（1）在單塊阻隔模組中，2 mm 玻纖氣凝膠能夠阻止熱失控傳播，電池2的前后表面溫升分別為193.6 ℃、86.1 ℃；然而2 mm 陶瓷纖維棉不能阻止熱失控傳播，只能延長(zhǎng)電池的安全閥門打開時(shí)間與熱失控時(shí)間間隔ΔtSV-TR及熱失控在電池之間傳播所需的時(shí)間間隔ΔtTR(n-n+1)。
（2）在單塊阻隔模組中，1 mm 玻纖氣凝膠也能阻止熱失控傳播，但是電池2的前后表面溫升分別為222.6 ℃、86.8 ℃，說明當(dāng)隔熱材料的厚度減小時(shí)，受保護(hù)電池的溫升更高，熱失控的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)隨之增大。
（3）在間隔阻隔模組中，2 mm 玻纖氣凝膠成功阻止了熱失控傳播，并且受保護(hù)電池的前后表面溫升分別為168.3 ℃、56 ℃，明顯低于單塊阻隔中受保護(hù)電池的溫升，說明采取間隔阻隔方式能夠提升能量密度的同時(shí)不會(huì)增加電池模組的危險(xiǎn)性。
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雷旗開，余 胤，彭 鵬，陳 滿，金凱強(qiáng)，王青松
（1南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司儲(chǔ)能科研院，廣東 廣州 510000；2中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026）
鋰離子電池由于具備高比能量、循環(huán)次數(shù)高以及自放電少等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用在電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能電站等領(lǐng)域，隨著鋰離子電池需求量的增加，它的安全問題變得越來越重要[1]。然而，一旦鋰離子電池暴露在諸如熱濫用[2]、機(jī)械濫用等[3]條件下就很有可能發(fā)生熱失控(thermal runaway, TR)[4-6]，在釋放出大量可燃?xì)怏w的同時(shí)產(chǎn)生大量熱量，這很有可能引起火災(zāi)甚至是爆炸事故，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來威脅。更為危險(xiǎn)的是，當(dāng)模組中的單體電池發(fā)生熱失控時(shí)，如果該模組沒有采取相應(yīng)的安全措施，它就會(huì)向相鄰的電池傳遞熱量并導(dǎo)致其發(fā)生熱失控，從而引起整個(gè)電池模組的熱失控傳播(thermal runaway propagation, TRP)[7]，造成更大的安全隱患。
由于鋰離子電池在熱失控之前的產(chǎn)熱量很少[8]，因此電池?zé)崾Э氐囊l(fā)需要比較長(zhǎng)的一段時(shí)間來進(jìn)行熱量積累[9]，如果能在電池發(fā)生熱失控之前使用相變材料[10]或者液冷[11]來帶走電池產(chǎn)生的額外熱量，就能夠有效避免電池發(fā)生熱失控。但是這些方式有不少的弊端：相變材料易燃且導(dǎo)熱能力弱，而液冷需要消耗額外的能量來維持運(yùn)轉(zhuǎn)。一旦電池發(fā)生熱失控，僅依靠前面這兩種手段單獨(dú)作用已經(jīng)無法抑制電池的熱失控傳播，因此可以通過將相變材料和液冷結(jié)合[12]來提升吸熱和散熱能力，從而達(dá)到阻止熱失控傳播的目的，但是這種方法無法應(yīng)對(duì)更加極端的情況。因此可以在電池發(fā)生熱失控時(shí)主動(dòng)噴出冷卻介質(zhì)[13]來避免熱失控傳播，但是這種方法不太適用于空間有限的場(chǎng)景，所以大多數(shù)時(shí)候都是利用隔熱層來阻止熱失控電池向相鄰電池傳遞熱量[14]。然而在實(shí)際應(yīng)用中，為了避免隔熱層進(jìn)一步加劇電池模組溫度分布不均的問題，往往是將隔熱層與熱管理方法結(jié)合使用。比如將氣凝膠與液冷板結(jié)合[15]，可以實(shí)現(xiàn)在電池模組正常運(yùn)行時(shí)的熱管理，并且在電池發(fā)生熱失控后，利用氣凝膠隔絕熱量傳遞的同時(shí)讓液冷板有足夠多的時(shí)間帶走額外的熱量。但是這種手段需要利用液冷，增加體積的同時(shí)消耗額外的能量，因此可以通過制作新的隔熱材料來解決散熱與隔熱的矛盾，例如通過將石蠟吸附進(jìn)多孔隔熱材料里面[16]，在借助石蠟進(jìn)行熱管理的同時(shí)利用多孔材料的隔熱性保證電池模組的安全。
鋰離子電池的高能量密度是其廣泛應(yīng)用的一大優(yōu)勢(shì)，然而隔熱材料的使用在一定程度上可能會(huì)降低電池模組的能量密度。為了解決這一問題，本研究利用玻纖氣凝膠和陶瓷纖維棉進(jìn)行了一系列熱失控傳播抑制實(shí)驗(yàn)。研究中設(shè)計(jì)了兩種模組布局方式：第一種是單塊阻隔模組，包含三塊電池，每塊電池之間都放置隔熱材料；第二種是間隔阻隔模組，包含四塊電池，隔熱材料僅放置在第二和第三塊電池之間。通過實(shí)驗(yàn)，我們研究了隔熱材料種類、厚度以及布局模式對(duì)熱失控傳播抑制效果的影響。該研究成果在保證了電池模組安全性的前提下，一定程度上緩解了隔熱材料使用與電池模組能量密度之間的矛盾。
2 實(shí)驗(yàn)方法
2.1 電池樣品及隔熱材料
電池樣品：本文中使用的電池是商用280 Ah磷酸鐵鋰方形電池，這款電池重5420 g，電池尺寸為173.7 mm×72 mm×207.5 mm，充放電截止電壓分別為3.65 V 和2.5 V。在實(shí)驗(yàn)開始之前，用20 A 的電流將電池以恒流放電方式放電至2.5 V，然后在相同的電流下以恒流-恒壓方式充電至100%荷電狀態(tài)，隨后擱置24 h 以確保電池內(nèi)部電化學(xué)穩(wěn)定。
隔熱材料：在本文中使用了玻纖氣凝膠及陶瓷纖維棉來阻止280 Ah 磷酸鐵鋰電池模組的熱失控傳播，兩種隔熱材料在常溫下的熱導(dǎo)率分別為0.03、0.04 W/(m·K)，其中玻纖氣凝膠的厚度包括1 mm 和2 mm；本文沒有選用成本更低的聚氨酯隔熱材料，是因?yàn)榫郯滨ジ魺岵牧系母邷啬褪苄暂^差，不太適用于阻斷鋰離子電池的熱失控傳播。
2.2 隔熱材料布局設(shè)計(jì)
如圖1所示，本實(shí)驗(yàn)采用了兩種隔熱材料布局方式進(jìn)行熱失控阻隔實(shí)驗(yàn)。第一種方式是在每塊電池之間都放置隔熱材料，旨在單塊電池發(fā)生熱失控時(shí)及時(shí)阻止熱失控傳播，最大限度地降低危險(xiǎn)性并保護(hù)未失控電池。然而，為了滿足實(shí)際情況中的空間需求，很多儲(chǔ)能系統(tǒng)不會(huì)在每個(gè)電池之間都添加阻隔材料。因此，為了在進(jìn)一步提高能量密度的同時(shí)保證電池模組的安全，我們采取了另一種布局方式，在電池單元之間放置隔熱材料。在本文中，我們選擇了兩塊電池作為一個(gè)電池單元，進(jìn)行單元之間的熱失控傳播阻隔實(shí)驗(yàn)。該布局方式的目的是當(dāng)一個(gè)單元內(nèi)部發(fā)生熱失控時(shí)，選擇放棄這個(gè)單元，并避免熱失控傳播至下一個(gè)單元，以探索熱失控傳播是否能在經(jīng)過兩塊電池之后被阻止。通過這種方式，不僅能保證電池模組的安全性，還能減少隔熱材料所占據(jù)的空間，緩解隔熱材料的使用與電池模組能量密度之間的矛盾。不僅如此，在實(shí)驗(yàn)中，我們采用了金屬夾具對(duì)所有模組進(jìn)行固定，并為了更好地模擬現(xiàn)實(shí)中電池所處密閉箱體散熱困難的情況，在電池模組的四周以及底部都使用了隔熱棉進(jìn)行包裹，以減小其向環(huán)境的散熱。
圖1 單塊阻隔模組（a）和間隔阻隔模組（b）中隔熱材料的布局示意圖Fig.1 Schematic diagram of the layout of thermal insulation materials in individual insulation module(a) and spacer insulation module (b)
2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置
如圖2(a)所示，所有實(shí)驗(yàn)均在防爆箱中進(jìn)行，在每個(gè)電池的前后表面以及側(cè)面都布置一根直徑為1 mm的K型熱電偶[圖2(b)]，溫度測(cè)點(diǎn)分別用Tn,f、Tn,s以及Tn,b來表示，熱電偶的誤差為±1 ℃，在實(shí)驗(yàn)過程中全程收集熱電偶的數(shù)據(jù)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程都用攝影機(jī)進(jìn)行記錄。在本研究中，如果電池因自身產(chǎn)熱導(dǎo)致的溫升超過1 ℃/s，則判定其發(fā)生熱失控。在所有實(shí)驗(yàn)中，都使用功率為500 W的加熱板來觸發(fā)第一塊電池的熱失控，加熱板尺寸與電池前表面完全一樣，將加熱板開啟的時(shí)間作為實(shí)驗(yàn)的起始時(shí)間，一旦電池發(fā)生熱失控，立刻關(guān)閉加熱板。實(shí)驗(yàn)布置如表1 所示，實(shí)驗(yàn)n（Experiment n）用En表示。
表1 熱失控傳播阻隔實(shí)驗(yàn)匯總Table 1 Summary of TRP barrier experiments
圖2 (a)防爆箱及實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖及(b)熱電偶布局示意圖Fig.2 (a) Schematic diagram of explosion-proof box and experimental setup; (b) Schematic diagram of thermocouples layout
3 結(jié)果與討論
3.1 隔熱材料種類對(duì)熱失控傳播的影響
圖3 給出了實(shí)驗(yàn)1 中電池模組在熱失控傳播過程中的溫度變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加熱開始時(shí)，電池1 不斷接收加熱板的熱量，因此電池1 的前表面溫度開始迅速上升，隨著時(shí)間推移，電池內(nèi)部的溫度亦會(huì)逐漸升高。此時(shí)電池1內(nèi)部會(huì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氣體的同時(shí)釋放熱量，產(chǎn)生的氣體會(huì)在電池內(nèi)部積累并導(dǎo)致電池內(nèi)壓增大，釋放的熱量會(huì)進(jìn)一步地加熱電池導(dǎo)致其溫度繼續(xù)升高。隨著時(shí)間的推移，當(dāng)電池1內(nèi)部的氣體累計(jì)到一定極限時(shí)，電池內(nèi)部的壓力會(huì)達(dá)到安全閥門的開啟閾值，因此電池1 在2814 s 時(shí)出現(xiàn)了安全噴射行為(safety venting，SV)，此時(shí)安全閥門瞬間打開并伴隨著劇烈的響聲，電池內(nèi)部噴出大量的氣體與電解液，噴出的物質(zhì)會(huì)帶走電池內(nèi)部的一部分熱量，從而導(dǎo)致電池溫度出現(xiàn)輕微的下降。接下來，受到加熱板和電池內(nèi)部自身產(chǎn)熱的共同作用，電池的溫度進(jìn)一步上升，從而引起電池內(nèi)部出現(xiàn)更多的放熱反應(yīng)，在經(jīng)過142 s 之后，電池1 內(nèi)部的放熱反應(yīng)達(dá)到不可逆狀態(tài)，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量并且釋放出大量的氣體，即發(fā)生熱失控（2956 s）。熱失控后電池1的前表面溫度開始劇烈上升，溫升速率最高可達(dá)9.2 ℃/s，最終其峰值溫度(T1,fmax)達(dá)到了582.7 ℃。隨后電池1 出現(xiàn)了第二次劇烈產(chǎn)氣，這是因?yàn)樵摽铍姵貎?nèi)部有兩個(gè)卷芯，因此在電池內(nèi)部也會(huì)存在熱失控傳播行為。整個(gè)過程中，電池1內(nèi)的卷芯2 持續(xù)受到加熱板以及卷芯1 的加熱，尤其在卷芯1發(fā)生熱失控時(shí)，會(huì)有大量的熱量傳遞給卷芯2，最終導(dǎo)致卷芯2發(fā)生熱失控，從而出現(xiàn)電池1的第二次劇烈產(chǎn)氣。在電池1 發(fā)生熱失控的過程中，電池2 一直受到電池1 的加熱，與電池1 的熱失控過程類似，電池2 內(nèi)部一直在積聚氣體和熱量，電池2 的安全閥門在3382 s 時(shí)打開，最終在3617 s 時(shí)電池2 發(fā)生熱失控，T2,f峰值達(dá)到了603.4 ℃。隨后，大量熱量傳遞到電池3，在4154 s時(shí)電池3的安全閥門打開，并最終在4413 s時(shí)引發(fā)了電池3的熱失控，熱失控傳播過程中主要事件的時(shí)間節(jié)點(diǎn)總結(jié)在表2中。可以發(fā)現(xiàn)在整個(gè)熱失控傳播過程中，三塊電池的前表面峰值溫度都顯著高于后表面峰值溫度，其原因可能是：前一塊電池的后表面與后一塊電池的前表面緊密貼合在一起，當(dāng)前面電池的卷芯2熱失控時(shí)，大量的熱量會(huì)通過鋁殼接觸面往后面電池傳遞，從而導(dǎo)致電池的后表面溫度普遍較低，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因后續(xù)將會(huì)進(jìn)一步分析。
表2 空白實(shí)驗(yàn)傳播過程中各事件發(fā)生的時(shí)間節(jié)點(diǎn)Table 2 The time node of each event in the process of TRP
圖3 空白實(shí)驗(yàn)傳播下電池模組的溫度曲線Fig.3 Temperature curves of the battery module without insulation materials
如圖4(a)所示，當(dāng)實(shí)驗(yàn)2 中的電池1 受到加熱后，在2087 s 時(shí)電池1 的安全閥門打開，此時(shí)T1,f溫度出現(xiàn)輕微下降，939 s后，電池1的卷芯1發(fā)生熱失控(3026 s)，T1,fmax為532.8 ℃。隨后經(jīng)歷110 s，熱失控從電池1的前表面?zhèn)鬟f至后表面。當(dāng)電池之間加入2 mm 玻纖氣凝膠后，電池1 的前后表面峰值溫度差異很小，前后表面溫差現(xiàn)象明顯減弱，這是因?yàn)椴＠w氣凝膠阻止了絕大部分熱量從電池1 的后表面?zhèn)鬟f至電池2，這也進(jìn)一步解釋了實(shí)驗(yàn)1中出現(xiàn)電池前后表面溫差的現(xiàn)象。由于加熱板開啟的時(shí)間較長(zhǎng)，所以當(dāng)電池1持續(xù)受到加熱板的加熱時(shí)，加熱板也會(huì)向電池2傳遞小部分熱量，導(dǎo)熱電池2 的前表面溫度輕微上升。電池1 發(fā)生熱失控后，雖然向電池2 傳遞大量的熱量，但電池1 與電池2之間的玻纖氣凝膠有效阻止和延遲了熱量的傳遞，具體體現(xiàn)在電池2 的前表面溫升相對(duì)于電池1 的后表面溫升而言會(huì)稍稍延緩。當(dāng)電池2 的前表面溫度達(dá)到峰值(213.2 ℃)時(shí)，電池1與電池2之間的傳熱達(dá)到一瞬間的平衡，等同于電池1不再向電池2 傳遞熱量，即電池2 前表面接收到的熱量及自產(chǎn)熱的熱量之和等于散熱量及往后傳遞的熱量之和，后續(xù)電池2的溫度變化完全是由電池2的散熱、內(nèi)部的熱量傳遞以及內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)引起。盡管電池2接收到大量的熱量并出現(xiàn)了膨脹，但其安全閥門并未打開，更沒有發(fā)生熱失控，說明電池2接收到的熱量還不足以引發(fā)熱失控。隨著時(shí)間的推移，熱量逐漸從電池2的前表面?zhèn)鬟f至電池2的后表面，最終電池2 后表面峰值溫度為105.6 ℃。在實(shí)驗(yàn)2的整個(gè)熱失控傳播過程中，電池2的前后表面溫升分別為193.6 ℃以及86.1 ℃。同樣地，電池3在整個(gè)過程中也會(huì)接受到熱量，但由于電池2并沒有發(fā)生熱失控，因此電池3所接收到的熱量很少，其整體溫度不高，電池內(nèi)部沒有出現(xiàn)損壞，依然能正常循環(huán)使用。
圖4 不同隔熱材料阻隔下電池模組的溫度Fig.4 Temperature curves of battery module with different insulation materials
如圖4(b)所示，使用2 mm 厚度的陶瓷纖維棉進(jìn)行熱失控傳播阻隔，當(dāng)加熱進(jìn)行到2118 s時(shí)，電池1 的安全閥門打開，隨后在3074 s 時(shí)發(fā)生熱失控，電池1的安全閥門打開時(shí)間與熱失控發(fā)生時(shí)間的間隔(ΔtSV-TR)為956 s。在電池1發(fā)生熱失控之后，盡管陶瓷纖維棉也能阻止一部分熱量傳遞到電池2，但無法防止電池2 的熱失控?？梢园l(fā)現(xiàn)，正如實(shí)驗(yàn)2 中的現(xiàn)象一樣，電池2 的前表面溫度也會(huì)由于電池1 的傳熱而上升，但實(shí)驗(yàn)3 中的電池2 內(nèi)部產(chǎn)生的氣體及熱量已經(jīng)積聚了很多，最終在3951 s時(shí)電池2的安全閥門打開，隨后在5976 s時(shí)發(fā)生了熱失控，電池2的ΔtSV-TR為2025 s。同樣地，電池3 的熱失控過程與電池2 基本類似，分別在6770 s、9455 s 時(shí)電池3 先后經(jīng)歷開閥以及熱失控，此時(shí)電池3 的ΔtSV-TR為2685 s?？梢园l(fā)現(xiàn)在傳播過程中，實(shí)驗(yàn)3中三塊電池的安全閥門打開時(shí)間與熱失控時(shí)間間隔逐漸從956 s增大至2685 s，不僅如此還可以發(fā)現(xiàn)電池之間熱失控傳播所需的時(shí)間ΔtTR(n-n+1)從2893 s 增大到了3479 s，兩個(gè)時(shí)間間隔都呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。
綜上可以得到結(jié)論：2 mm 厚度的玻纖氣凝膠能夠阻止熱失控傳播，電池2的前后表面溫升分別為193.6 ℃以及86.1 ℃；而2 mm厚度的陶瓷纖維棉不能阻止熱失控傳播，只能延長(zhǎng)閥門打開時(shí)間與熱失控時(shí)間間隔ΔtSV-TR以及熱失控在電池之間傳播所需的時(shí)間ΔtTR(n-n+1)。
3.2 隔熱材料厚度對(duì)熱失控傳播的影響
如圖5(a)所示，加熱板開啟后，電池1 的溫度逐漸上升，其內(nèi)部反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體也在逐漸累積，當(dāng)加熱至2754 s時(shí)，電池1的內(nèi)部氣體壓力達(dá)到了電池安全閥門開啟的閾值，但電池1并沒有出現(xiàn)安全噴射行為，反而是安全閥門出現(xiàn)裂縫并伴隨著“嘶嘶”聲放出氣體，這可能是由于電池的差異性導(dǎo)致的。隨后電池內(nèi)部繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，電池內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生氣體并且釋放熱量，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，電池內(nèi)的產(chǎn)氣速率也在逐漸增大，當(dāng)產(chǎn)氣速率達(dá)到一定程度時(shí)，安全閥門的裂縫已經(jīng)不足以釋放電池內(nèi)部產(chǎn)生的氣體，于是在2948 s時(shí)電池1的安全閥門完全打開，并且在2952 s 時(shí)發(fā)生了熱失控。值得注意的是，電池安全閥門完全開啟至發(fā)生熱失控僅有4 s 時(shí)間間隔，這與通常的磷酸鐵鋰電池先開閥再熱失控的順序并不一致，因此可以推測(cè)這種情況下安全閥門的完全開啟是由于電池已經(jīng)發(fā)生了熱失控，電池?zé)崾Э蒯尫诺拇罅繗怏w將安全閥門完全沖開，因此在安全閥門完全開啟之前電池就已經(jīng)發(fā)生了熱失控。之所以會(huì)出現(xiàn)熱失控在安全閥門完全開啟之前這種現(xiàn)象，是因?yàn)橥ㄟ^電池表面的溫度測(cè)點(diǎn)來進(jìn)行檢測(cè)電池的熱失控節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)短暫的延遲，電池內(nèi)部熱失控引起的溫升需要一定時(shí)間才能傳遞到電池表面。若安全閥門不發(fā)生裂縫行為，則此時(shí)間誤差就不會(huì)顯現(xiàn)，這種情況下閥門出現(xiàn)裂縫的時(shí)刻，就應(yīng)該認(rèn)為該時(shí)刻對(duì)應(yīng)正常電池的安全閥門開啟，后續(xù)的安全閥門完全打開對(duì)應(yīng)的是正常電池的熱失控。隨后，正如實(shí)驗(yàn)2中的情況一樣，電池2接收到電池1 熱量的同時(shí)電池2 內(nèi)部也會(huì)自產(chǎn)熱，電池2 的前表面峰值溫度為248 ℃，經(jīng)過電池2 的內(nèi)部傳熱，電池2 的后表面峰值溫度為112.2 ℃，由于電池2內(nèi)部反應(yīng)的產(chǎn)氣，因此電池2也會(huì)出現(xiàn)膨脹行為，整個(gè)傳播過程中，電池2前后表面的溫升分別為222.6 ℃、86.8 ℃，電池3的溫度很低且依舊能夠正常循環(huán)使用。綜上，1 mm 厚度的玻纖氣凝膠也能阻止熱失控傳播，電池2的前后表面溫升分別為222.6 ℃、86.8 ℃，但是相較于實(shí)驗(yàn)2，實(shí)驗(yàn)4中的電池2溫升更高，發(fā)生熱失控的風(fēng)險(xiǎn)更大。
圖5 (a) 1 mm玻纖氣凝膠單塊阻隔下電池模組的溫度及(b) 2 mm玻纖氣凝膠間隔阻隔下電池模組的溫度Fig.5 (a) Temperature curves of battery module with 1 mm glass fiber aerogel block barrier; (b) Temperature curves of battery module with 2 mm glass fiber aerogel interval barrier
3.3 隔熱材料布局方式對(duì)熱失控傳播的影響
如圖1(b)所示，我們采用了一種新的隔熱材料布局方式進(jìn)行了熱失控傳播阻隔實(shí)驗(yàn)，以四塊電池為模組，將隔熱材料放置在模組中間位置，即以兩個(gè)電芯為一個(gè)單元，將隔熱材料放置在電池單元之間，通過實(shí)驗(yàn)得到該種隔熱材料布局模式與傳統(tǒng)布局模式的區(qū)別。實(shí)驗(yàn)中，我們選用了2 mm厚度的玻纖氣凝膠作為阻隔材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)5中的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)2中的結(jié)果對(duì)比，以探索一種更適合磷酸鐵鋰電池的隔熱材料布局方式。通過實(shí)驗(yàn)得到該種布局模式下的電池模組溫度如圖5(b)所示，與之前的所有實(shí)驗(yàn)相似，隨著加熱板的加熱，電池1的前表面溫度開始上升。經(jīng)過2845 s 的加熱后，電池1的安全閥門打開，并在1203 s之后，電池1內(nèi)的卷芯1發(fā)生熱失控并且蔓延至整個(gè)電池。與此同時(shí)，電池1熱失控產(chǎn)生的熱量通過鋁殼迅速傳遞至電池2，因此電池2 的安全閥門在4315 s 時(shí)打開，并在150 s后發(fā)生熱失控(4465 s)。得益于2 mm的玻纖氣凝膠有效隔斷了電池2與電池3之間的傳熱，因此熱失控并沒有蔓延至第三塊電池，但是熱失控傳播的結(jié)束并不意味著電池模組內(nèi)的傳熱停止。電池3 從加熱開始一直到電池2 熱失控結(jié)束的全過程中，會(huì)接收到來自加熱板以及電池1、電池2熱失控所釋放的熱量。因此電池3的溫度會(huì)出現(xiàn)上升，同時(shí)其內(nèi)部會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體并釋放熱量，導(dǎo)致電池3出現(xiàn)膨脹，但是由于電池3接收到的熱量以及自產(chǎn)熱的熱量之和不足以讓其內(nèi)部反應(yīng)達(dá)到不可逆的階段，最終電池3沒有發(fā)生熱失控。
間隔阻隔和單塊阻隔最大的區(qū)別就是，在間隔阻隔模組中，當(dāng)電池1失控并向電池2傳遞熱量時(shí)，會(huì)有一部分熱量傳遞到電池3，也就是說電池1 熱失控對(duì)電池3 有預(yù)熱效果。但是如表3 所示，在實(shí)驗(yàn)5 的間隔阻隔模組中，電池3 的前后表面溫升分別為168.3 ℃、56 ℃，明顯低于實(shí)驗(yàn)2中單塊阻隔下電池2 的前后表面溫升(193.6 ℃、86.1 ℃)，其原因可能如圖6 所示：①在間隔阻隔模組中(實(shí)驗(yàn)5)，電池2 熱失控的時(shí)候不僅會(huì)往電池3 方向傳熱(E5Q2-3)，還會(huì)往電池1 反向傳熱(E5Q2-1)；②假設(shè)實(shí)驗(yàn)過程中熱失控電池釋放出來的熱量相同，同時(shí)忽略兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中的散熱，這意味著模組其他部位從熱失控電池接收到的熱量相同，即實(shí)驗(yàn)2 中電池1傳遞給電池2 的熱量近似等于實(shí)驗(yàn)5 中電池2 傳遞給電池1與電池3的熱量之和(E2Q1-2=E5Q2-1+E5Q2-3)；③在實(shí)驗(yàn)5 中，盡管電池3 也會(huì)接收到電池1 熱失控傳遞過來的熱量(E5Q1-3)，但是該部分熱量小于電池2 往前傳遞給電池1 的熱量(E5Q1-3＜E5Q2-1)。以上多種因素導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)2 中電池2 接收到的總熱量大于實(shí)驗(yàn)5 中電池3 接收到的總熱量(E2Q1-2＞E5Q1-3+E5Q2-3)，最終體現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)5 中的受保護(hù)電池溫度比實(shí)驗(yàn)3中的要低。綜上，采取間隔阻隔方式，受保護(hù)電池并不會(huì)更加危險(xiǎn)，這也說明了該種減少隔熱材料占據(jù)空間的布局方式能保證電池模組的安全。
表3 熱失控阻隔實(shí)驗(yàn)中受保護(hù)電池的前后表面溫升Table 3 The temperature rise of the front and back surfaces of the protected battery in each experiment
圖6 不同隔熱材料布局方式下模組內(nèi)部傳熱示意圖Fig.6 Schematic diagram of internal heat transfer in modules under different layout of thermal insulation materials
4 結(jié) 論
（1）在單塊阻隔模組中，2 mm 玻纖氣凝膠能夠阻止熱失控傳播，電池2的前后表面溫升分別為193.6 ℃、86.1 ℃；然而2 mm 陶瓷纖維棉不能阻止熱失控傳播，只能延長(zhǎng)電池的安全閥門打開時(shí)間與熱失控時(shí)間間隔ΔtSV-TR及熱失控在電池之間傳播所需的時(shí)間間隔ΔtTR(n-n+1)。
（2）在單塊阻隔模組中，1 mm 玻纖氣凝膠也能阻止熱失控傳播，但是電池2的前后表面溫升分別為222.6 ℃、86.8 ℃，說明當(dāng)隔熱材料的厚度減小時(shí)，受保護(hù)電池的溫升更高，熱失控的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)隨之增大。
（3）在間隔阻隔模組中，2 mm 玻纖氣凝膠成功阻止了熱失控傳播，并且受保護(hù)電池的前后表面溫升分別為168.3 ℃、56 ℃，明顯低于單塊阻隔中受保護(hù)電池的溫升，說明采取間隔阻隔方式能夠提升能量密度的同時(shí)不會(huì)增加電池模組的危險(xiǎn)性。
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