0 引言
锂离子电池（Lithium-ionBatteries，LIBs）作为一种新型的清洁能源存储载体被广泛用于电动汽车，是电动汽车的“心脏”。目前，锂离子电池因具备较高的能量密度、优异的循环寿命和较低的自放电能力，在电动汽车和储能电站中得到了广泛的应用。近年来，由于与锂离子电池相关的事故频发，引起了全球各地对锂离子电池安全性问题的重视。一般锂离子电池事故由热失控造成，这是一种热化学现象，在此过程中，电池内会发生一连串剧烈的放热反应，释放出大量热量，使电池温度和内部压力上升，导致灾难性的气体和火灾喷出甚至燃烧。车辆中的锂离子电池经常处于振动、冲击等苛刻的工作条件，在极端条件下可能会遇到过充电、过热、短路、碰撞或钉子穿透等情况，增加了车载电池系统发生热失控的可能性。另外，电动汽车中的电池组通常由数十万个并联或串联的电池组成，以满足功率和能量的要求。如果单节电池发生热失控温度骤然上升，会迅速加热其相邻的电池，进而引发其他电池内部温升，使得周围电池也发生热失控，该过程称为热失控蔓延。一旦电池系统内发生热失控蔓延，其释放的能量巨大，将会给乘客的安全和财产造成极大威胁。因此，延长热失控蔓延时间，甚至阻断电池热失控在模组中的蔓延，被认为是有效减小热失控危害的手段。在电芯间添加隔热层，是当前实验室层级乃至商业化量产解决热蔓延的最有效方法之一。常润泽等研究了使用不同材料隔热层对电池模组间热蔓延的影响，发现气凝胶隔热层对热蔓延抑制效果最优；Wang等在6节电池模组中间添加了1mm气凝胶，在液冷板协同作用下，电池之间的热量没有蔓延。但是，找到一种最佳性能、最适合厚度的隔热材料还需进行更多研究。此外，使用液冷的方法也可以对热失控的蔓延进行主动抑制。Xu等使用微流道冷却进行热失控蔓延的抑制，发现当微流道内液体的流速大于10L/min时，热失控蔓延可以被有效抑制。所以，使用隔热材料与液冷协同作用有望对电池的热蔓延进行有效抑制。
本文针对一款三元锂离子电池小型模组，触发第1颗电芯使其发生热失控，改变电芯间隔热材料的种类和厚度，对比热量在模组间的传播情况；选用实验中性价比最高的隔热材料，添加液冷板之后观察第2节电芯的温度变化情况；通过对不同隔热材料以及是否添加液冷板的热蔓延实验对比，总结了较为全面的隔热方案。本研究可为商业化电池包隔热材料的选用提供依据，保证电池包的安全。
1 无液冷不同隔热材料隔热方案研究
本文采用控制变量的原则，改变模组中电池间隔热材料的材质及厚度，对不同材料的隔热性能进行综合研究。分别采用泡棉、气凝胶和云母&气凝胶复合材料进行对比，实验具体参数如表1所示。
图1为实验方案原理图，金属框架中由2节电池组成小模组，电池中间添加不同隔热材料。加热片紧贴电池（Cell）1表面，靠近顶封位置。模组外侧与框架之间添加气凝胶&云母复合隔热材料，防止电池热失控热量通过金属框架向外传播，更好地模拟真实使用热电偶情况。使用热电偶采集2个关键点的温度情况，1#为Cell1于加热片一侧大面中部测温点，2#为Cell2于Cell1一侧大面中部测温点。
实验开始时，打开加热片对Cell1进行加热，待Cell1发生热失控时关闭加热片，随后Cell1热失控的热量会向Cell2传播，使用数采记录不同测温点在实验过程中温度的变化。使用同样的布置，替换电芯间隔热材料之后进行对比实验。
图2为基于不同厚度的隔热材料的2节电芯近加热片一侧的中部温度（1#、2#）变化曲线，可以看出，Cell1的大面温度随着加热片温度的上升而上升，随即触发其热失控，约50s后Cell1温度达到最大值（680~820℃），Cell1在加热片加热条件下的热失控曲线具有相似性。在使用了不同的隔热材料后，第2节电芯都发生了热失控，电芯能够达到的最高温度约为900℃，这是由电芯自身化学体系决定的，表明所使用的电芯的一致性。
观察Cell2的温度变化曲线（2#测温点）不难看出，基于不同隔热材料的电池模组在热失控前的温度变化截然不同，其在热失控前的温升速率如图3所示。由图2和图3可以看出，使用1mm泡棉基本不会对Cell2的温升造成影响，温升曲线与Cell1保持一致，温升速率为9℃/s；使用1mm气凝胶后，Cell2的温升曲线变为两段式，相较于泡棉的结果，Cell2在热失控前温升速率减小60%，热量传播在电芯之间得到了一定的抑制。
随着气凝胶厚度的增加，Cell2热失控前的温升速率继续降低，增加1倍的厚度，其温升速率减小50%，可见气凝胶在隔热方面有巨大的效应。但是随着气凝胶厚度继续增加，温升速率并没有得到成倍的减少。这可能归因于气凝胶厚度越厚，热量在传播过程中，其结构更容易被破坏，导致隔热性能下降。考虑到箱体体积的限制，2mm气凝胶在温度特性方面性价比最优。
为了进一步提升隔热材料的隔热性能，在2mm气凝胶两侧分别添加0.6mm云母，组成一种三明治隔热材料。使用云母对气凝胶进行保护之后的实验表明，Cell2的升温速率降低了近60%。但继续增加中间气凝胶的厚度，升温速率基本保持不变，进一步证实了气凝胶对传热的抑制有限。
图4对比了基于不同隔热材料的电池模组热蔓延的时间特性。由图4可以看出，在同等厚度条件下，气凝胶的隔热性能要优于泡棉，电芯间热扩散时间及单位厚度隔热时间提升了150%；在隔热材料不变的条件下，增加气凝胶的厚度，其对热蔓延的抑制效果也随之增强，厚度增加1倍调整至2mm时，电芯间热扩散时间也随之增加1倍。但是从实验结果可以看出，继续增加气凝胶的厚度至2.8mm，气凝胶的隔热性能并没有得到更高的提升，其单位厚度隔热时间还减小了8s/mm。所以2mm气凝胶在时间特性方面性价比也最优。
添加云母不仅可提升隔热性能，同时还能延长热量在模组间的传播时间。由图4可见，添加了云母之后电芯间热扩散时间又得到了成倍的提升。继续增加中间气凝胶的厚度，其单位厚度隔热时间还是稳定在约80s/mm。由于厚度的增加，热蔓延还是发生了，模组间热蔓延的时间也达到了最长的340s。考虑到真实使用情况及隔热材料在电池模组中的体积限制，认为3.2mm云母&气凝胶组合为最佳方案。
实验结果表明，云母和气凝胶复合材料单位厚度隔热能力最佳，其隔热能力比纯气凝胶提升60%，泡棉的隔热性能最差。从测试结果来看，如果单纯考虑隔热，很难实现第2颗电芯的抑制。另外，由图2可以看出，若不能有效阻隔热蔓延的发生，由于能量的积累，第2节电池热失控的危害程度甚至要高于第1节电池，所以需考虑添加液冷的情况。
2 带液冷不同隔热材料隔热方案研究
添加液冷后热蔓延的抑制效果实验原理图如图5所示。考虑到模组底部添加了液冷板，故对热电偶的排布做了适当调整，除了对电芯间隔热材料、液冷条件、热电偶排布三者进行修改，其他条件与2.1节保持一致，具体实验参数如表2所示。
选取2种方案（2mm气凝胶和3.2mm云母&气凝胶）进行带液冷板的热蔓延测试，2种方案的测试结果如图6和图7所示。使用加热片触发第1节电池的热失控状况，两者的触发时间及触发温度都基本保持一致。由于热滥用的存在，加热约5min后触发电池热失控。根据芮新宇等[7]的研究发现，电池在触发热失控后便无法使用外界因素使其停止，电池自身巨大的热量会带动液冷板的温度上升，所以液冷板此时的用处并不大。由图6可以看出，使用2mm气凝胶隔热层方案的模组发生了热蔓延，表明即使有液冷板的存在，2mm气凝胶隔热层也难以使第2节电池达到热平衡，第2节电池温度逐渐上升，发生了热失控。
由图7可以看出，添加了云母之后，在液冷板的协同作用下，第2节电池没有发生热失控，其最高温度约180℃，冷却液进出口温差约1℃。实验表明0.6mm云母+2mm气凝胶+0.6mm云母的方案最佳，不仅可以尽可能减小隔热材料的厚度，还具有最佳的隔热效果；在有液冷板的条件下，可以阻隔热量的传递，使电池模组不发生热蔓延。
3 结论
本文以77Ah方壳三元锂离子电池为研究对象，分析了不同材料和不同厚度隔热材料对电池模组热蔓延的影响，以及具有液冷板协同作用下隔热材料对热蔓延的延缓效果，得到以下结论：
（1）在不同的隔热材料中，泡棉的隔热效果最差。在同等厚度条件下，气凝胶的隔热性能要优于泡棉，电芯间热扩散时间及单位厚度隔热时间可提升150%。添加云母之后，不仅可以对气凝胶进行保护，还能同时将热量在模组间的传播时间延长1倍；
（2）如果单纯考虑电芯间隔热，热蔓延依旧会发生，热量还是会传递到第2节电芯，只能相对延长蔓延时间，很难实现对第2节电芯热失控的抑制；
（3）在液冷板协同作用下，0.6mm云母+2mm气凝胶+0.6mm云母的方案可有效抑制热蔓延的发生，第2节电池没有发生热失控。该方案可使第2节电芯的吸热和散热逐渐达到最好的平衡，规避了电池热蔓延的风险，可为实现安全电池包提供指导。
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来源：电动学堂
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