德耐隆淺談動力電池?zé)釘U(kuò)散問題的原因及防護(hù)方法分析

　　動力電池作為新能源汽車的重要組成部分，其安全性是非常重要的。其中，動力電池的熱擴(kuò)散問題是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。本文將從動力電池?zé)釘U(kuò)散問題的原因、熱擴(kuò)散防護(hù)方法的研究與分析等方面進(jìn)行探討。

　　近幾年，新能源汽車因電池?zé)崾Э卦斐砂踩鹿什粩囝l發(fā)，動力電池的安全性是車企 、市場 、以及相關(guān) 部門機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)關(guān)注問題 。為推動完善解決該問題 從2015年工信部下發(fā)《汽車動力蓄電池行業(yè)規(guī)范條件》開始，工信部 、環(huán)保部 、商務(wù)部 , 以及質(zhì)檢總局等都 對新能源汽車提高標(biāo)準(zhǔn) ，可見政府表示對動力電池，特別是電池?zé)崾Э匕踩雷o(hù)的高度重視。

　　一、動力電池?zé)釘U(kuò)散問題的原因及影響因素

　　動力電池在使用過程中，由于充電或者放電，內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，會產(chǎn)生熱量。如果熱量不能得到合理的散熱，就會引起局部溫度升高，甚至導(dǎo)致熱失控。此時(shí)，電池發(fā)生“熱失控”，會產(chǎn)生火災(zāi)或者爆炸等嚴(yán)重事故。因此，如何解決動力電池的熱擴(kuò)散成了一個(gè)急需解決的問題。

　　動力電池的安全問題可以用“熱失控”來概括，主要是電芯內(nèi)部達(dá)到一定溫度后不可控制 ,溫度上升速度快，引發(fā)燃燒甚至爆炸 。其中過熱 、過充 、內(nèi)部短路 、外部沖擊等是引發(fā)熱失控的關(guān)鍵因素。 電池的選型和熱設(shè)計(jì)的不合理會引發(fā)電池內(nèi)部溫度升高過熱;或受到外部劇烈沖擊(針刺 、擠壓 、沖擊等) 使電池短路 。對于電池?zé)崾Э氐脑?，已?jīng)有許多研發(fā)人員 在進(jìn)行研究分析。 當(dāng)一個(gè)電池單體發(fā)生熱失控之后，其相鄰單體受影響后也可能相繼發(fā)生熱失控，導(dǎo)致熱失控蔓延，最終引發(fā)安全事故。

　　二、熱擴(kuò)散防護(hù)方法的研究與分析

　　1.改變電池結(jié)構(gòu)

　　目前，改變電池結(jié)構(gòu)也是比較常見的解決辦法。一般來說，加厚電池結(jié)構(gòu)可以提高電池的耐受性能。同時(shí)，還可以增加電池內(nèi)部的接觸面積，提高電池的散熱效果。此外，還可以通過改變電池殼材質(zhì)，提高整個(gè)電池的耐高溫能力。

　　2.應(yīng)用隔熱材料

　　隔熱材料的應(yīng)用也是比較常見的熱擴(kuò)散防護(hù)方法。隔熱材料不僅可以隔絕熱量，還可以防止熱量從電池內(nèi)部逃逸。一般來說，聚氨酯、硅酸鹽以及改性耐火隔熱氈復(fù)合材料等都可以作為隔熱材料。它們可以通過敷貼、補(bǔ)漏等方式，實(shí)現(xiàn)對電池的熱量隔離。

　　3.利用冷卻系統(tǒng)

　　利用冷卻系統(tǒng)也是一個(gè)很好的熱擴(kuò)散防護(hù)方法。這種方法中，可以使用液冷、風(fēng)冷等方式來降低電池的溫度。目前，很多電動車都采用了液冷系統(tǒng)。電池散熱片、風(fēng)扇和潤滑油等部件的應(yīng)用，可以有效地將電池的溫度控制在合理范圍內(nèi)。

　　4.智能控制

　　　　智能控制技術(shù)也可以幫助解決動力電池的熱擴(kuò)散問題。在電池管理系統(tǒng)中，可以預(yù)測電池工作狀態(tài)，以及電池內(nèi)部的溫度變化。在電池發(fā)生熱失控現(xiàn)象前，就可以進(jìn)行預(yù)警，并采取措施控制電池溫度。

　　三、熱失控的對比方法

　　以上所述的熱擴(kuò)散防護(hù)方法中，每一種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。改變電池結(jié)構(gòu)可以提高電池的耐受性能，但是需要加厚電池結(jié)構(gòu)，增加重量，導(dǎo)致其能量密度變低。應(yīng)用隔熱材料可以隔絕熱量，但是部件安裝較為困難。利用冷卻系統(tǒng)可以降低電池的溫度，但是會增加電池的成本和復(fù)雜性。而智能控制技術(shù)可以預(yù)警和控制電池溫度，但是需要支持較高的信息技術(shù)。

　　基于熱失控的原因?qū)Ψ雷o(hù)方式進(jìn)行分析 , 電池的選型雖然是關(guān)鍵的內(nèi)因 ,但為保證電池整體性能和成本目標(biāo) , 內(nèi)部料包的配比已基本確定 。 通過優(yōu)化結(jié)構(gòu) 、增強(qiáng)熱防護(hù)等成為電池廠和整車廠改善熱擴(kuò)散性能的首選 。

　　在對電芯 、模組以及電池包級別測試后的電 池均進(jìn)行拆解分析 , 通過拆解熱失控測試 后的電池包 、模組以及內(nèi)部的電芯 ,觀察電池的防護(hù)設(shè)計(jì) 、結(jié)構(gòu)件等 ,特別是電芯內(nèi)部氣道走向以及不同位置電芯的 燒損狀態(tài)等 ,可以有效的評估發(fā)生熱失控時(shí) ,模組內(nèi) 部的影響 。為優(yōu)化前后模組熱擴(kuò)散測試后電芯內(nèi)部的狀態(tài) ,依次是首包電芯(與加熱片相 鄰) 、中間位置電芯 、尾包電芯(遠(yuǎn)離加熱片) 的狀態(tài) 。

　　從對比電芯內(nèi)部狀態(tài)可以看出 ,優(yōu)化前噴射的路 徑比較分散 ,頂部 、兩側(cè)均有噴射的軌跡;且從電芯大 面來看 ,整個(gè)模組內(nèi)的電芯燃燒的劇烈程度相當(dāng) 。而優(yōu)化后的模組 ,拆解后電芯內(nèi)噴射的路徑相對一致均 從頂部噴射孔的位置排出 ,且從貼近加熱片位置到遠(yuǎn) 離加熱片位置的電芯燃燒劇烈程度依次減弱 ,在最后 一包電芯內(nèi)噴發(fā)留下的紋理比首包電芯的痕跡要模糊很多 。

　　四、電池包中隔熱層布置

　　電池包內(nèi)使用的隔熱材料除了導(dǎo)熱系數(shù)低之外，還需具備阻燃、絕緣、柔軟杠高溫和質(zhì)量輕等特點(diǎn)。

　　德耐隆改性耐火隔熱氈復(fù)合材料作為電池包的隔熱層，德耐隆改性耐火隔熱氈形狀可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行裁剪加工，由于電池包內(nèi)模組表面形狀不規(guī)整，周邊布置有高壓銅排和低壓線束，因此將保溫層仿形粘貼在下箱體和上殼體內(nèi)壁。

　　為了響應(yīng)相關(guān)部門提出的“雙碳”戰(zhàn)略需求和相關(guān)部門發(fā)布的《2022年汽車標(biāo)準(zhǔn)化工作要點(diǎn)》。廣州市綠原環(huán)保材料有限公司打造新能源熱防護(hù)體系新材料，創(chuàng)新性地推出了“二氧化硅及陶瓷纖維材料”，可承受的溫度范圍在-200°C至1200°C之間。

　　社會的發(fā)展和新能源政策的相繼落實(shí)，這意味著，不久的將來，國內(nèi)的新能源汽車（包括乘用車和商用車），或?qū)惭b動力電池?zé)崾Э靥綔y及滅火裝置。

　　近年來關(guān)于鋰離子電池引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸事故的報(bào)道屢見不鮮。鋰離子動力電池在不同的環(huán)境溫度下表現(xiàn)出不同的特性。高溫環(huán)境下，動力電池在大倍率充放電過程中會發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量，如果動力電池產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)疏解會在動力電池內(nèi)部積累導(dǎo)致動力電池溫度升高，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生爆炸。

　　目前，市面上部分復(fù)合隔熱材料的溫度上限一般只有650℃，難以達(dá)到新能源汽車電池800℃以上的隔熱要求。廣州市綠原環(huán)保材料有限公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過不斷地試驗(yàn)及調(diào)劑配方，開發(fā)出具備阻燃、絕緣、柔軟杠高溫和質(zhì)量輕等特點(diǎn)的改性耐火保溫隔熱氈復(fù)合材料---德耐隆Telite。

　　德耐隆Telite改性耐火保溫隔熱氈復(fù)合材料由二氧化硅及陶瓷纖維氈復(fù)合制備而成，同時(shí)還具備低導(dǎo)熱率、低密度、可壓縮、可回彈、不掉粉、不掉渣的純無機(jī)材料，承受的溫度范圍達(dá)到-200°C至1200°C，可根據(jù)客戶的真實(shí)環(huán)境應(yīng)用需求，提供節(jié)能保溫、防火阻燃、隔音降噪等功能的綜合解決方案。

　　由于其導(dǎo)熱系數(shù)低（不高于0.02W/m.k），穿選材料的熱量不斷弱化，材料低吸熱性能保持低熱量幅射輸出水平，從而確保降低熱量損耗（或侵入）。所以德耐隆Telite改性耐火保溫隔熱氈復(fù)合材料除應(yīng)用于新能源汽車電池外，還可用于提高艦艇的動力裝置熱、聲環(huán)境控制、隔熱防護(hù)、減振降噪。同時(shí)，該材料廣泛應(yīng)用于石油管道、電子元件、航空航天等領(lǐng)域。

　　五、總結(jié)

　　目前動力電池追求高能量比、高安全性和低成本，對電池組裝過程中的質(zhì)量和安全性提出了更高的要求，無論是軟包電池還是方形電池，其電池間的隔熱材料均存在各種局限性，無法同時(shí)滿足阻燃、耐酸堿、輕質(zhì)量、高緩沖性能、絕緣及低成本等要求。德耐隆改性耐火隔熱氈恰好實(shí)現(xiàn)熱觸發(fā)的吸熱、滅火和隔熱?；诘履吐「男阅突鸶魺釟值亩嗫滋匦院蛢?nèi)部具有納米級空隙可以減慢熱傳導(dǎo)，提供最低的熱傳導(dǎo)值，抗熱沖擊。德耐隆改性耐火隔熱氈的耐高溫性能和超低熱導(dǎo)率（0.02W/m.k）對電池?zé)崾Э芈舆^程影響較大。通過對熱失控傳播過程的分析,我們發(fā)現(xiàn)在德耐隆改性耐火隔熱氈熱管理?xiàng)l件下，熱失控具有“局部性”的特點(diǎn)，德耐隆改性耐火隔熱氈能夠保護(hù)電池模組內(nèi)的電芯之間不受熱失控產(chǎn)生的高溫的影響。

　　熱擴(kuò)散是動力電池安全性的一個(gè)重要方面，在嘗試各種防護(hù)方法的同時(shí)，我們也需要不斷探索更優(yōu)秀的解決方案。未來，可能會有更多的新技術(shù)出現(xiàn)，解決動力電池的熱擴(kuò)散問題，提高新能源汽車的安全性能。動力電池?zé)岱雷o(hù)的改善 ,在電芯性能相當(dāng)?shù)那闆r下 ,需要從模組與電池包的外部保護(hù) 、高溫氣體熱傳遞方案 、能量釋放 、內(nèi)部絕緣防護(hù)等多角度進(jìn)行考慮分析 。雖然目前國家針對動力電池包有明確的安全要求,沒有對模組或者電芯級別定義熱失控測試的 具體標(biāo)準(zhǔn) ,從電池系統(tǒng)中小單元的優(yōu)化 , 同樣對于整個(gè)電池系統(tǒng)也會有更好的影響 。