陈才星，牛慧昌，李 钊，李 磊，莫善军，黄鑫炎

（1广州中国科学院工业技术研究院新能源热安全工程技术研究中心，广东 广州 511458；2中山大学工学院，广东 广州 510006；3香港理工大学火灾工程研究中心 香港）

为降低燃油消耗、减轻环境污染，在国家新能源政策及市场双重导向下，我国新能源汽车得到高速稳步发展，连续三年销量位居全球第一。锂离子动力电池作为电动汽车的核心组成部分，能量密度高、循环寿命长，但是电池在发生热失控时燃烧剧烈，且灭火难度极大。近年来锂离子电池热失控（TRA）诱发电动汽车火灾或爆炸等灾害事故时有发生，严重威胁城市公共安全[1]。

锂离子电池热失控可由机械滥用（碰撞、挤压、针刺等）、电滥用（过充、过放、外短路等）及热滥用等因素诱发[2-3]。在全尺寸燃烧测试过程中，电池热失控时喷射火焰温度可高达1500 ℃[4]，热量通过热传导、热对流及热辐射等方式传递至邻近电池，诱发大量电池热失控，由此引发大规模电动汽车火灾。陈天雨等[5]综述了热失控扩展机理、建模以及以冷却技术为重点的热失控扩展抑制技术的研究进展。除冷却技术外，热失控扩展阻隔，亦可通过添加阻隔材料等技术手段增大热量从热失控电池传递至周边的电池的热阻，延缓或避免周边电池热失控的发生。

电池材料体系是热失控扩展的重要影响因素。WU 等[6]采用加速绝热量热仪（ARC）分析了正极材料为LiCoO2的方形软包锂离子电池的热滥用诱发热失控特性，发现不同荷电状态（SOC）电池的温升速率曲线在150 ℃左右均有一个低谷，当温度高于该值时，电池正极材料发生剧烈放热反应，温度快速上升直至热失控。JHU 等[7]发现100% SOC的LiCoO2圆柱形电池自放热温升速率达到0.2 ℃/min 时的起始温度为131.5 ℃，而LiMnCoNi 电池为175.4 ℃。冯旭宁等[8]统计了当前主流电池产品的热失控温度特性，发现热失控触发温度均低于300 ℃，因而将热失控触发标准的终止加热温度设为300 ℃。

电池外形及模组结构，对热失控扩展特性亦有很大影响。LAMB 等[9]针对18650 电池建立了三角形排列的10S1P（10 串1 并）及10P1S（10 并1 串）的热失控扩展测试模型，发现由于电池接触面积小，10S1P 的电池组并未发生热失控扩展。而10P1S 的电池组由于电连接的影响而出现热失控扩展，说明并联连接的模组热失控风险较串联高。同时该学者采用方形电池测试，发现由于较大热传导面积的存在，无论串联或并联连接，在60 ～80 s 间均出现热失控扩展。FENG 等[10]建立了由6 个并排放置的NCM/石墨体系方形铝壳电池构成模组的热失控扩展模型，并采用针刺触发一个电池热失控。在其中一组测试中，热失控扩展时间依次为210 s、164 s、183 s、181 s 及113 s。由于热失控扩展时，未失控电池仅一面受热，电池内部最大温差达593～792 ℃，而热失控起始温度也比ARC测试时的259 ℃低很多，并认为电池壁面的热传导是热失控扩展的主导因素，而火焰及串联连接片的热传导则可忽略。基于上述结论，该学者建立了以热传导为主要因素的热失控扩展模型，以便于电池模组的安全性设计[11]。为阻止热失控扩展，WILKE等[12]针对一款4P10S 的18650 电池模组，采用相变温度为48～57 ℃的相变材料包裹电池。应用针刺触发其中一个电池内短路而造成热失控，发现有相变材料时周围电池温度均低于120 ℃，并未出现热失控扩展；而未采用相变材料时，热失控扩展至整个模组，结果说明相变材料能有效阻隔热失控。然而相变材料由于所占体积大、可燃（有机材料）或有腐蚀性（无机材料）、成本高特点，在工业领域还未得到广泛应用。针对方形铝壳电池模组的热失控扩展阻隔研究，少有文献提及。

延长热失控扩展时间可相应延长人员逃生时间，提高电动汽车内人员安全性。环氧树脂板（ERB）作为绝缘材料，常用于方形铝壳电池模组，然而其对电池热失控阻隔作用，并未有文献涉及。本文针对方形铝壳电池，研究ERB 对电池热失控扩展的阻隔作用，重点分析ERB 厚度对串联及并联模组热失控扩展过程中火焰特征、电池温度特征等热失控特征的影响。

1 实验材料及测试方法

本研究使用的锂离子电池为某国产方形铝壳电池[ 正极：Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2，负极：石墨]，尺寸为110.5 mm×68 mm×15 mm，质量为305 g，标称容量为13.5 A∙h，其充电终止电压为（4.15±0.05）V，放电终止电压为（3.05±0.05）V。测试前电池均在常温下以0.5 C 恒流放电至3.05 V，然后恒流充电至4.15 V，随后恒压充电至截止电流0.675 A，以确保所有测试用电池均处于100% SOC状态。

图1 电池模组结构示意图Fig.1 Structure of battery module

图2 热电偶布置示意图Fig.2 Positions of thermal couples

热失控扩展测试用电池模组的结构如图1 所示，5 个方形电池通过4 块厚度为d（d=2 mm、4 mm）的ERB（型号：3240）隔开，其导热系数为0.46 W/(m∙K)、耐温等级大于155 ℃、垂直层向抗压缩强度大于350 MPa。无ERB 时电池间距设置为2 mm。加热管放置于比电池尺寸略大的铜块中，铜块与热失控触发电池紧密接触，为防止电池膨胀损坏模组结构，使用铁丝将电池与铜块紧固。热电偶布置于图示截面上，具体位置如图2 所示。电池之间通过铝带及螺栓连接，构成5P（5 并）和5S（5 串）的电池模组。加热管的加热功率约为145 W，模组总电压及上述热电偶数据通过HOIKI 数据记录仪 （型号：LR8400-21）采集。

2 实验结果与讨论

2.1 ERB 厚度对电池喷射火焰的影响

本研究选取并联电池模组研究ERB 对电池喷射火焰的影响。图3(a)所示为无ERB 时电池热失控扩展过程。图3(a-1)、(a-2)、(a-3)为1#电池热失控前、中、后的燃烧现象：前期大量可燃气体从被电池内部高压气体打开的安全阀口喷出，持续时间约15 s，随后大量红色夹带黑色的气流高速喷出，持续时间6 s，热失控后电池外部包裹绝缘胶带在高温下自燃。因无ERB 阻隔，热失控电池热量迅速传递至2#电池而致使其热失控。2#电池温度过高且由于火焰的存在，2#电池热失控过程[图3(a-4)]喷射的高温可燃气体被迅速点燃并持续燃烧了约2 s，随后由于喷射速度过快火焰被吹熄，在后期气流速度降低后电池复燃，火焰的持续时间约3 s。3#[ 图3(a-5)]、4#[ 图3(a-6)]、5#[ 图3(a-7)]电池在喷射过程均出现火焰。图3(b)为2mm ERB 时热失控扩展过程。1#电池热失控情况与无ERB 时一致，热失控后期电池由于电池温度过高导致2 mm 厚度的ERB 起火。在2#电池安全阀打开后，2#电池释放大量可燃气体，遇明火后出现持续稳定的燃烧，如图3(b-3)所示。由于火焰的存在，2#电池在热失控过程出现约1 s 的火焰喷射[图3(b-4)]，随后为类似图3(b-2)所示红色夹带黑色的高速气流，后期为可燃烟气喷射。3#[图3(b-5)]、4#[图3(b-6)]、5#[图3(b-7)]电池在喷射过程均未出现如图3(b-2)所示的火焰，而仅为高速可燃气体喷射。图3(c)为采用4 mm ERB 时电池热失控扩展情况。1#电池的热失控过程与无ERB 及采用2 mm ERB 时的情况类似，但由于ERB 厚度的增加，热失控后并未出现着火的情况[图3(c-3)]。2-5#电池热失控均为高速气体喷射[图3(c-4)、(c-5)、(c-6)、(c-7)]。

综上，由于 ERB 的低导热及阻燃特性，随着ERB 厚度的增大，热失控扩展过程中电池热失控火焰喷射程度得到减轻，在一定程度上降低了火灾风险。

2.2 ERB 厚度及串并联方式对电池模组热失控扩展时间的影响

图3 热失控喷射火焰情况Fig.3 Flame ejections during thermal runaway of batteries

图4 为采用不同厚度的ERB 以及并联和串联的电池模组热失控扩展过程电池的温度变化曲线。如图4(a)所示，并联的电池模组在无ERB 时，热失控从1#电池扩展至5#电池用时为346 s，平均用时87 s，扩展过程中最高温度（1#电池温度除外）为787 ℃。采用2 mm 的ERB 时，热失控从1#电池扩展至5#电池所需的时间为791 s，平均用时198 s，是无ERB时的2.29倍，而最高温度为743 ℃，相对无ERB 降低了44 ℃。采用4 mm ERB 时，热失控从1#电池扩展至5#电池用的时间为1926 s，平均用时481 s，是无ERB 时的5.57 倍，而最高温仅为647 ℃，相对无ERB 时降低了137 ℃。串联电池模组热失控扩展过程如图4(b)所示，采用2 mm ERB 时，热失控从1#电池扩展至5#电池用时728 s，平均用时182 s，是无ERB 时的2.09 倍；而最高温度从无ERB 时的824 ℃降低为742 ℃，相对降低82 ℃。当采用4mm ERB 时，并未出现热失控扩展现象。图5 为并联模组1#电池热失控后，2#电池2-1 位置的温度响应曲线，其中时间以1#电池热失控的时间为起点。当无ERB 时，2-1位置温度在17 s 内升高至596 ℃；采用2 mm ERB时，2-1 位置温度在64 s 内升高至408 ℃，时间是无ERB 时的3.76 倍，温度相对降低31.54%；采用4 mm ERB 时，2-1 温度在177 s 内升高至278℃，时间延长至无ERB 时的10.41 倍，温度相对降低46.64%。综上说明ERB 具有较好的热失控阻隔效果。

图4 热失控扩展过程电池温升曲线：（a）5P 模组；（b）5S 模组Fig.4 Temperature variations of batteries during TRA propagation

图5 电池1#热失控后2-1#热电偶的温度响应曲线Fig.5 Temperature responses at the position of 2-1# after TR of battery 1#

图6 5P 模组电压曲线Fig.6 Voltage variations of batteries in 5P module

图6所示为并联电池模组的总电压变化曲线，图示红色圈标记的电压波动是由电池热失控形成的电回路引起。实验后测得热失控电池电阻约为43 Ω（电池热失控后正负极柱松动，电阻值与松动程度有关），说明其他未失控电池可形成回路而致使电池放电产生焦耳热。

串并联模组热失控扩展时间总体情况如图7 所示，当无ERB 及采用2 mm ERB 时，热失控从1#电池扩展至5#电池的时间间隔差别并不大，说明并联电池模组热失控形成回路产生的焦耳热相对于电池壁面的导热热通量可忽略不计。而当采用4 mm ERB 时，由于ERB 热阻较大，串联模组的热失控并未扩展，但由于时间较长，并联模组热失控后形成的电回路的产热影响被进一步放大，而导致并联模组出现热失控扩展。由此可认为相对于串联的电池模组，热失控更容易在并联的电池模组间扩展。

图7 5P热失控扩展间隔时间Fig.7 Time intervals of TRA sequence

3 结 论

动力电池热失控扩展易引发大规模火灾，威胁城市公共安全。本文研究了ERB 材料对电池热失控扩展过程的影响，所得结论如下。

（1）ERB 可减轻电池热失控的程度。无ERB 时电池热失控均出现剧烈的火焰喷射现象，而加入ERB 后仅在使用2 mm ERB 时有一次持续1 s 的火焰喷射，其余条件仅为烟气喷射。并联模组采用2 mm 厚的ERB 时，非热失控触发电池最高温度降低44 ℃、采用4mm ERB 时降低137 ℃；串联模组采用2 mm ERB 时非热失控触发电池最高温度降低了82 ℃，采用4 mm ERB 时其他电池并未达到热失控温度。

（2）ERB 可延缓电池热失控扩展速率，甚至阻止热失控扩展的发生。对于并联模组，采用2 mm 厚的ERB 平均热失控扩展时间为198 s, 是无ERB 时的2.29 倍，采用4 mm ERB 时可延长至5.57 倍；对于串联模组，采用2 mm ERB 时热失控扩展时间可延至无ERB 时的2.09 倍，采用4 mm ERB 可阻隔热失控扩展。

（3）并联电池模组热失控时由于存在电回路产生焦耳热，热失控相对串联模组更容易扩展。

研究热失控扩展阻隔技术可延缓热失控扩展过程，延长人员逃生时间，提高电动汽车安全性。ERB 可延缓甚至阻隔电池热失控的扩展，但对电池包内空间有一定要求。后期需进一步探索更为高效的热失控阻隔材料，以期进一步提高电池模组及电池包的安全性。