中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘要：全球環(huán)境污染與能源短缺問(wèn)題的持續(xù)升級(jí)，使得鋰離子電池等新型儲(chǔ)能技術(shù)成為新能源革命中的重要方案。然而，電池的安全隱患，尤其是大規(guī)模電池組熱失控及其傳播觸發(fā)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，是電池儲(chǔ)能行業(yè)進(jìn)一步規(guī)?；年P(guān)鍵問(wèn)題。文章把握行業(yè)痛點(diǎn)，總結(jié)了抑制電池?zé)崾Э丶捌鋫鞑サ淖韪舨牧系难芯窟M(jìn)展，并從吸熱、隔熱、吸熱-隔熱協(xié)同三方面對(duì)阻隔材料的功能進(jìn)行分類評(píng)價(jià)。最后，整理了系統(tǒng)級(jí)電池?zé)崾Э丶捌浠馂?zāi)的仿真模型與抑制策略，有助于厘清阻隔材料抑制電池?zé)崾Э鼗鹇拥难芯棵}絡(luò)，為后續(xù)的創(chuàng)新性研究工作提供思路。
關(guān)鍵詞：鋰離子電池；儲(chǔ)能安全；熱失控傳播；阻隔材料
中圖分類號(hào)：X932；TM912
基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2022YFE0207400）
電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用比例持續(xù)提升，鋰離子電池做為“新型能量交通樞紐”憑借高能量密度、高轉(zhuǎn)換效率、長(zhǎng)壽命和高循環(huán)穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，在新型儲(chǔ)能與智慧電網(wǎng)領(lǐng)域扮演著重要角色。鋰離子電池通常由陰極材料、陽(yáng)極材料、電解液（大多為鋰鹽和有機(jī)溶劑）及隔膜（大多為聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）材質(zhì)）等關(guān)鍵部件組成，其余還包括黏結(jié)劑、集流體、導(dǎo)電劑以及外殼等輔助材料。充電過(guò)程中，鋰離子從陰極脫嵌，通過(guò)電解液穿過(guò)隔膜流入陽(yáng)極，電子在外電路由陰極向陽(yáng)極移動(dòng)；放電過(guò)程中，陽(yáng)極在失去電子的同時(shí)，鋰離子通過(guò)電解液穿過(guò)隔膜從陽(yáng)極遷移回陰極。通過(guò)鋰離子在正負(fù)極之間的遷移產(chǎn)生電流，實(shí)現(xiàn)電池充放電。
鋰離子電池在正?；虍惓９r下，都存在熱失控的風(fēng)險(xiǎn)，即電池內(nèi)部發(fā)生一系列劇烈放熱反應(yīng)，導(dǎo)致溫度急劇升高，引發(fā)火災(zāi)爆炸事故。熱失控的誘因主要包括電濫用（如內(nèi)部短路、過(guò)充電、過(guò)放電等）、機(jī)械濫用（如沖擊、施壓、穿刺等）和熱濫用（如高溫環(huán)境、火源等）。大規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量（>100 MWh）遠(yuǎn)高于電動(dòng)車的動(dòng)力電池包（50~100 kWh），因此鋰離子電池在大規(guī)模儲(chǔ)能電站中的火災(zāi)危險(xiǎn)性更高。一方面，電池在長(zhǎng)時(shí)間充放電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量會(huì)加速電池老化和容量衰減，影響電池性能，增加電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)；另一方面，持續(xù)的熱量累積或極端的濫用條件會(huì)激發(fā)電池內(nèi)部的鏈?zhǔn)椒艧岱磻?yīng)，使電池?zé)崾Э?，釋放大量的熱和可燃?xì)怏w。電池?zé)崾Э氐膫鞑タ梢猿霈F(xiàn)在不同的尺度：電池單體內(nèi)部、單體之間、模組之間，電動(dòng)車之間以及儲(chǔ)能電站箱體之間，隨著熱失控?cái)U(kuò)散尺度的逐步擴(kuò)大，將造成災(zāi)難性的火災(zāi)和爆炸。因此，開(kāi)展抑制鋰離子電池?zé)崾Э芈拥难芯渴翘岣唠妱?dòng)汽車和儲(chǔ)能電站安全的關(guān)鍵，具有重要的研究和現(xiàn)實(shí)意義。
對(duì)于鋰離子電池的安全問(wèn)題，可以通過(guò)提高電池內(nèi)部材料的安全性能，如改性電池陽(yáng)極材料、陰極材料、制備耐高溫隔膜、設(shè)計(jì)高安全性的電解液或固態(tài)電解質(zhì)，從電池內(nèi)部改性來(lái)阻止熱失控的主導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)，抑制熱失控在電池內(nèi)部擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)電池單體的安全。實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的本質(zhì)安全誠(chéng)然重要，然而鋰離子電池的材料改性需要平衡電池的電化學(xué)性能與安全性能，因此目前大多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，批量應(yīng)用需要復(fù)雜完備的評(píng)估方法，規(guī)?；瘧?yīng)用仍需一定的時(shí)間。
另一方面，切斷電池之間的熱失控傳播路徑，控制電池?zé)崾Э氐穆臃秶鷮?duì)于保障電池安全也尤為重要。在電池之間設(shè)置阻隔材料，是防止熱失控傳播擴(kuò)散的重要防護(hù)手段，不僅能夠降低電池間的熱量傳導(dǎo)，延后電池不可控火災(zāi)的燃燒時(shí)間，爭(zhēng)取救援的黃金時(shí)刻，還能降低火災(zāi)的熱釋放總量，減少不必要的財(cái)產(chǎn)損失。另外，高性能的阻隔材料空間占有率低，不會(huì)大幅降低電池模組的能量密度，且成本可控，因此更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文以鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑ミ^(guò)程為研究對(duì)象，綜述了電池外部隔熱阻燃材料的應(yīng)用方法、材料分類及評(píng)價(jià)和熱失控抑制機(jī)制模擬方法的研究進(jìn)展，提出了未來(lái)的研究方向和建議，旨在為抑制鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑シ椒ㄌ剿鞲嗟目赡苄院蛣?chuàng)新性。
1 鋰離子電池?zé)崾Э刈韪舨牧系膽?yīng)用方法
現(xiàn)有商用鋰離子電池的封裝制造工藝主要集中在圓柱電池、方形電池和軟包電池三種形式。對(duì)于方形電池，其具有安全性高、系統(tǒng)能量效率高、擴(kuò)容方便等優(yōu)點(diǎn)，但同樣存在單體差異較大，在大規(guī)模應(yīng)用的系統(tǒng)中壽命遠(yuǎn)低于單體壽命等問(wèn)題。圓柱形電池是最早工業(yè)化應(yīng)用的鋰電池產(chǎn)品，其采用卷繞式工藝，將正負(fù)極片和隔膜卷繞成圓柱形電芯，然后裝入鋼殼或鋁殼中，具有成組靈活度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但成組后的散熱設(shè)計(jì)難度較大，且單體容量小，成組后能量密度較低。對(duì)于軟包電池，其具有內(nèi)阻小、安全性好、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于大規(guī)模的加工應(yīng)用過(guò)程，軟包外殼的支撐較弱，因此其成組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度較大?？傮w而言，軟包電芯安全性高，但單體容量相對(duì)有限，故主要應(yīng)用于需要高性能和高可靠性的領(lǐng)域，如戶用儲(chǔ)能、便攜式儲(chǔ)能市場(chǎng)中，而方形和圓柱電池更能適應(yīng)結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，大多應(yīng)用于發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、工商業(yè)側(cè)。
電池單元結(jié)構(gòu)
針對(duì)不同封裝形式的電池，現(xiàn)有研究開(kāi)發(fā)了不同形狀的阻隔材料。圓柱形電池僅通過(guò)電池間接觸的軸線傳遞熱量，且不易固定，因此研究大多采用模具澆注法，將材料制備后澆注到方塊狀或套管狀模具中定型。方形和軟包電池具有較大的傳熱平面，且容易固定，因此大多采用阻隔材料和電池間隔排布，通過(guò)材料與電池的緊密接觸，最大限度地阻隔熱量。
阻隔材料加載方式（圓柱電池）
阻隔材料加載方式（方形和軟包電池）
對(duì)于阻隔材料抑制電池?zé)崾Э貍鞑サ脑囼?yàn)研究，大多通過(guò)加熱棒或加熱片模擬熱失控電池，以熱濫用的形式觸發(fā)其余電池的熱失控，并引發(fā)傳播，根據(jù)熱失控傳播過(guò)程現(xiàn)象、溫度（場(chǎng)）變化、產(chǎn)熱量計(jì)算、電池殘骸分析、熱失控前后阻隔材料結(jié)構(gòu)表征分析等方法，判定阻隔材料對(duì)電池?zé)崾Э丶捌鋫鞑サ囊种瞥潭取?/span>
2 鋰離子電池?zé)崾Э刈韪舨牧系姆诸愒u(píng)價(jià)
鋰離子電池?zé)崾Э兀═R）大多包含一系列連鎖反應(yīng)，如陽(yáng)極表面的固態(tài)電解質(zhì)界面膜（SEI膜）的分解、陽(yáng)極與電解液的反應(yīng)、陰極與電解液的反應(yīng)等。通常，這一過(guò)程會(huì)伴隨著大量的熱量產(chǎn)生，隨著電池?zé)崃康牟粩嗬鄯e，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致反應(yīng)速率的增加，并產(chǎn)生大量的氣體，使得電池內(nèi)部壓力和溫度升高，造成電池破裂爆炸。由于熱量-升溫-反應(yīng)循環(huán)是連鎖反應(yīng)的根本原因，將熱量轉(zhuǎn)移或阻斷熱量的傳遞，使得反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的熱量可控是解決電池?zé)崾Э貍鞑サ年P(guān)鍵所在?；谶@一思路，現(xiàn)有可用于抑制鋰離子電池?zé)崾Э氐淖韪舨牧现饕譃橐韵氯N：利用相變過(guò)程吸收熱量的吸熱型阻隔材料，利用低熱導(dǎo)率隔絕熱量傳遞的隔熱型材料，以及兼顧電池?zé)峁芾砩岷蜔崾Э刈韪糇饔玫奈鼰?隔熱雙功能阻隔材料。
2.1 吸熱型阻隔材料
由于電池內(nèi)部發(fā)生的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)需要自產(chǎn)熱激發(fā)，吸熱型阻隔材料大多通過(guò)材料發(fā)生吸熱的相變反應(yīng)轉(zhuǎn)移電池產(chǎn)生的熱量，使電池內(nèi)部環(huán)境不滿足反應(yīng)條件，一方面可以阻斷異常電池發(fā)生后續(xù)連鎖反應(yīng)，從根源上降低熱失控發(fā)生的劇烈程度，避免熱失控；另一方面即使阻斷失敗，吸熱型阻隔材料仍可以通過(guò)吸收熱量的方式，降低熱失控電池對(duì)相鄰電池的影響，避免熱失控范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。目前吸熱型阻隔材料以相變材料為研究主體，大多通過(guò)材料改性或與其他散熱方式結(jié)合以提升性能。吸熱型材料在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要滿足高比熱容、高蒸發(fā)焓、低電導(dǎo)率、低泄漏率等要求。石蠟由于具有穩(wěn)定性強(qiáng)、無(wú)腐蝕性、較大相變潛熱以及相變溫度與鋰離子電池的正常工作溫度較匹配的性質(zhì)，是早期應(yīng)用于電池?zé)峁芾碇邢嘧儾牧系牡湫痛?。然而隨著電池行業(yè)的蓬勃發(fā)展，電池能量密度不斷逼近理論極限，電池系統(tǒng)對(duì)熱安全管理性能的要求也與日俱增，對(duì)于相變材料的要求也從熱管理逐漸提升到了熱失控的抑制。石蠟的易發(fā)生泄漏、相分離、導(dǎo)熱性差、易燃等局限性使其不足以滿足下一代電池?zé)峁芾淼男枨?，這也大力推動(dòng)了相變材料改性研究的進(jìn)步，提升相變材料的導(dǎo)熱性、相變潛熱以及阻燃性能是材料改性的關(guān)鍵思路。
吸熱型阻隔材料設(shè)計(jì)策略
由于石墨烯等碳材料在微觀結(jié)構(gòu)上具有超強(qiáng)的平面熱導(dǎo)率，可達(dá)到2 000~5 000 W/（m.K），因此，向純相變材料中添加石墨烯、碳納米管等導(dǎo)電性碳材料的復(fù)合相變材料，導(dǎo)熱性提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)，其原有的相變潛熱性能也沒(méi)有受到損失，添加金屬翅片、金屬多孔材料、金屬納米粒子也可以起到相同的作用。然而導(dǎo)熱性能的提升并沒(méi)有增大材料的相變潛熱，降低火災(zāi)危險(xiǎn)性，因此，導(dǎo)熱增強(qiáng)型復(fù)合材料大多應(yīng)用于電池充放電過(guò)程中的熱管理。針對(duì)相變材料的易泄漏、易燃等局限性，將相變材料與阻燃涂層或柔性材料結(jié)合可以很好地解決這一問(wèn)題。MEI J等對(duì)比了針刺與加熱方式對(duì)電池?zé)崾Э赜|發(fā)的影響，將六苯氧基環(huán)三磷腈（HPCP）添加在石蠟相變材料中，HPCP分子中的苯氧基團(tuán)在高溫條件下解離，并發(fā)生歧化反應(yīng)，產(chǎn)生的苯氧基及其歧化產(chǎn)物具有淬滅效應(yīng)，通過(guò)氣相阻燃有效降低電池?zé)崾Э氐幕鹧娓叨群突鹧鏈囟?。LIU Q等以石蠟為相變材料基體，采用硫化橡膠將阻燃涂層粘附在相變材料表面，并采用聚磷酸銨作為氣相阻燃材料，電池發(fā)生熱失控時(shí)，改性石蠟會(huì)膨脹吸收大量熱量并產(chǎn)生蓬松的炭層，聚磷酸銨持續(xù)熱解產(chǎn)生的焦磷酸和聚偏磷酸沉積在炭層中，進(jìn)一步隔絕氧氣，在抑制電池?zé)崾Э財(cái)U(kuò)散的同時(shí)解決了相變材料易泄漏流動(dòng)和易燃的問(wèn)題。
由于相變材料（PCM）大多為有機(jī)物，即使添加了一定量的阻燃劑，但在燃燒過(guò)程中仍然會(huì)增加電池組火災(zāi)危險(xiǎn)程度，與有機(jī)相變材料相比，雖然無(wú)機(jī)相變材料同樣具有易流動(dòng)泄漏的局限性，但以水合鹽類（如為代表的無(wú)機(jī)相變材料（IPCM）具有不燃性、耐高溫、儲(chǔ)熱容量大、價(jià)格低廉且易于獲得等突出優(yōu)點(diǎn)，若直接采用水合鹽類無(wú)機(jī)相變材料用于電池?zé)崾Э氐姆雷o(hù)，則可以避免增加電池組內(nèi)可燃物的風(fēng)險(xiǎn)。PING P等采用反相乳液界面聚合法，在不同的核/基體質(zhì)量比下制備了無(wú)機(jī)水合鹽核材料在具有耐熱耐火性的二氧化硅基體中的包封，合成了一種新型無(wú)機(jī)水合鹽相變材料微膠囊，有效延遲了熱失控的發(fā)生并抑制了熱失控的傳播。由于材料的不燃性，電池在熱失控后火焰也會(huì)快速熄滅，增強(qiáng)了系統(tǒng)整體的安全性。在這一研究的基礎(chǔ)上，由于將碳納米管作為傳熱增強(qiáng)材料引入微膠囊當(dāng)中，改進(jìn)后的材料具有更大的潛熱和熱擴(kuò)散系數(shù)，可以使電池的熱量及時(shí)被吸收，同時(shí)減輕了電池爆燃的后果。
2.2 隔熱型阻隔材料
隔熱材料一般通過(guò)減少材料內(nèi)部的熱量來(lái)提高隔熱效果，大多由高分子材料、填料和其他添加劑制成復(fù)合材料?，F(xiàn)有隔熱材料大多用于建筑物的隔熱保溫，主要包括：無(wú)機(jī)材料（玻璃、巖石、羊毛氈和陶瓷等）和有機(jī)材料（纖維素、棉花、木材、紙漿、甘蔗、聚苯乙烯、聚乙烯、聚氨酯等和其他聚合物），聚合物大多具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能，因此具有較好的耐熱效果。另外，氣凝膠具有孔徑尺寸小、孔道復(fù)雜程度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前極具發(fā)展?jié)摿Φ母魺岵牧稀⒋呋牧?，在物理、化學(xué)、生物、航空航天等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。
隔熱泡棉、陶瓷纖維氈、陶瓷碳纖維和氣凝膠，常被應(yīng)用于大容量高比能電池或大規(guī)模儲(chǔ)能電池的熱防護(hù)。YU Y等以280 Ah 方殼電池為研究對(duì)象，對(duì)比了氣凝膠、聚酰亞胺泡沫和云母帶復(fù)合絕緣棉的熱失控阻隔效果，并計(jì)算各個(gè)材料在電池?zé)崾Э剡^(guò)程4個(gè)階段的傳熱功率，比較氣凝膠、聚酰亞胺泡沫和云母帶復(fù)合材料對(duì)280 Ah棱柱形鋰離子電池模塊的抑制絕緣能力，發(fā)現(xiàn)使用1 mL氣凝膠和2 mL聚酰亞胺泡沫即可防止熱失控傳播，隨著熱失控進(jìn)行，隔熱材料的導(dǎo)熱功率逐漸降低。LIU F等采用過(guò)充的方式探究玻璃纖維、陶瓷纖維、陶瓷纖維氣凝膠、預(yù)氧化氣凝膠纖維、二氧化硅氣凝膠5種阻隔材料抑制電池?zé)崾Э貍鞑サ男Ч?。由于預(yù)氧化氣凝膠纖維具有746 ℃的超高耐熱溫度，燃燒后形貌未發(fā)生明顯的變化，其余材料的結(jié)構(gòu)均受到了不同程度的破壞，氣凝膠材料普遍比纖維材料具有更好的熱阻隔效果。
從傳熱學(xué)角度而言，首先氣凝膠的固體骨架由微米或納米級(jí)的顆?；蚶w維構(gòu)成，形成了復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，大量氣孔有效阻礙了固相熱傳導(dǎo)；其次氣凝膠內(nèi)部孔隙中的氣體通常為熱導(dǎo)率低的空氣或惰性氣體，氣體分子的平均自由程大于孔隙直徑，導(dǎo)致氣體的熱傳遞方式從連續(xù)介質(zhì)模式轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂煞肿幽Ｊ?，材料幾乎處于真空狀態(tài)，產(chǎn)生“零對(duì)流”效應(yīng)。另外，氣凝膠的孔隙結(jié)構(gòu)也可以減少熱輻射的傳遞，因?yàn)榭紫吨睆叫∮跓彷椛涞牟ㄩL(zhǎng)，使得熱輻射在氣凝膠內(nèi)部發(fā)生多次反射和散射，降低了熱輻射的有效程度。因此，氣凝膠的特殊固體骨架和氣相結(jié)構(gòu)同時(shí)抑制了熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3種熱傳遞方式，實(shí)現(xiàn)了高效的隔熱效果。WENG J W等分別對(duì)比了氣凝膠粉末和氣凝膠氈浸于相變材料中阻隔電池?zé)崾Э貍鞑サ男Ч?，研究發(fā)現(xiàn)氣凝膠氈具有更強(qiáng)的熱阻隔作用，但很難影響失效電池?zé)崾Э氐膭×页潭?。TANG J等通過(guò)溶膠凝膠法和超臨界干燥法，合成了室溫下熱導(dǎo)率為0.02 W/（m.K）的二氧化硅凝膠增強(qiáng)纖維，探究了其對(duì)320 Wh/kg高鎳軟包電芯模組的熱失控阻隔效果，較好地模擬了大規(guī)模電芯發(fā)生熱失控的真實(shí)場(chǎng)景，電芯能量密度較大導(dǎo)致熱失控極為劇烈，采用三層氣凝膠材料有效抑制了熱失控的傳播。
2.3 吸熱-隔熱雙功能阻隔材料
電池間熱量阻隔一直被認(rèn)為是抑制鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑サ淖顑?yōu)對(duì)策，然而隨著鋰離子電池的能量密度越來(lái)越高，隔熱無(wú)法阻擋所有多余的熱量。研究表明，在電池間放置隔熱材料的基礎(chǔ)上，在電池發(fā)生熱失控瞬間施加細(xì)水霧降溫，可以有效減弱熱失控的劇烈程度并阻斷熱失控的傳播。然而水霧的施加需要噴頭、水泵等設(shè)備，占據(jù)了較大的空間，雖然阻斷效果十分顯著，但卻犧牲了電池模塊的能量密度。因此探究兼具冷卻散熱和熱失控阻隔作用的新型雙功能材料是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。YANG X L等對(duì)比了氣凝膠片、單一液冷板和復(fù)合的方式用于電池?zé)崾Э氐淖韪粜Ч?，結(jié)果表明僅有氣凝膠并不能阻止電池?zé)崾Э氐膫鞑?，僅有液冷板作為阻隔材料反而會(huì)加速熱失控的傳播，當(dāng)氣凝膠和液冷板協(xié)同作用時(shí)可有效抑制電池?zé)崾Э氐膫鞑?。SUN X M等對(duì)比了2 mm厚度納米纖維隔熱層、氣凝膠隔熱層和相變材料復(fù)合隔熱層對(duì)電池?zé)崾Э芈拥囊种菩Ч?，結(jié)果表明納米纖維和氣凝膠隔熱層能夠有效延緩熱失控?cái)U(kuò)散的時(shí)間，但是電池組仍發(fā)生了熱失控的傳播，而應(yīng)用相變復(fù)合隔熱層的電池組成功實(shí)現(xiàn)了熱失控的零擴(kuò)散。
LI L等設(shè)計(jì)了一種不燃相變材料與柔性二氧化硅氣凝膠氈結(jié)合而成的新型防火毯，可同時(shí)發(fā)揮冷卻、滅火、隔熱等多種功能，成功實(shí)現(xiàn)了1 mm厚度材料抵抗53 kW的瞬態(tài)熱沖擊。在此基礎(chǔ)上，其采用柔性更好的水凝膠代替不燃相變材料，設(shè)計(jì)了水凝膠-陶瓷纖維氈結(jié)合的三功能熱響應(yīng)阻隔材料，可抵抗1 300 ℃的高溫，并成功冷卻電池進(jìn)而阻斷熱失控傳播的發(fā)生。BRUNO B等提出一種新型纖維增強(qiáng)型水凝膠隔熱材料，首先通過(guò)合成甲基纖維素增強(qiáng)海藻酸鈉的水凝膠前驅(qū)體，然后引入氯化鈣螯合劑交聯(lián)形成水凝膠聚合物，并用鋁塑包裝封裝避免水分蒸發(fā)。在電池?zé)崾Э厍捌谖沾罅繜崃?，待鋁塑包裝破裂，水分完全耗盡后，纖維結(jié)構(gòu)起到隔絕熱量的作用。這一復(fù)合材料的應(yīng)用有效延緩了熱濫用誘發(fā)電池?zé)崾Э氐膫鞑r(shí)間，阻斷了針刺誘發(fā)的電池?zé)崾Э貍鞑ァ?/span>
3 阻隔材料的熱失控抑制機(jī)制和數(shù)值模擬分析
鋰離子電池在實(shí)際生產(chǎn)生活中除了應(yīng)用于手機(jī)、計(jì)算機(jī)等消費(fèi)類電子產(chǎn)品之外，更多地被應(yīng)用于新能源汽車以及電化學(xué)儲(chǔ)能電站中。目前，已經(jīng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究來(lái)探索不同級(jí)別的鋰離子電池的熱失控和火災(zāi)行為，在電池模塊/電池組層面，單個(gè)模塊內(nèi)的熱失控傳播和燃燒行為是研究熱點(diǎn)。然而，由于尺度效應(yīng)和更復(fù)雜的燃燒行為，僅通過(guò)模塊級(jí)的熱失控測(cè)試并不能完全揭示如整車或儲(chǔ)能電站等系統(tǒng)級(jí)的熱失控傳播和火災(zāi)。由于進(jìn)行全尺寸的熱失控傳播和火災(zāi)測(cè)試經(jīng)濟(jì)成本過(guò)高，因此，研究人員大多通過(guò)數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)大規(guī)模電池火災(zāi)的演化特征，為大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的排布、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以及消防設(shè)計(jì)防護(hù)提供理論支撐。
WANG G Q等建立了大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱失控火蔓延半降階CFD模型，用以捕獲電池?zé)崾Э丶盎馂?zāi)行為，闡述了單體、模塊級(jí)別的故障傳播模式和機(jī)制，通過(guò)仿真集裝箱角落電池?zé)崾Э赜|發(fā)的火蔓延行為，探究了觸發(fā)位置對(duì)火災(zāi)行為的影響。由于吸熱-隔熱材料的模擬涉及相變潛熱、燃燒熱、多孔介質(zhì)傳熱等多維度產(chǎn)熱模式，因此研究針對(duì)抑制大規(guī)模電池組熱失控及火災(zāi)的方法，大多以冷板散熱-氣凝膠隔熱的抑制方式作為仿真案例。RUI X Y等忽略電池?zé)崾Э氐漠a(chǎn)氣過(guò)程和燃燒過(guò)程，建立了熱濫用觸發(fā)6顆電池串聯(lián)熱失控傳播的仿真模型，對(duì)比了不同熱通量、熱流密度對(duì)預(yù)防電池?zé)崾Э貍鞑サ挠绊?，仿真模擬了冷板與氣凝膠墊協(xié)同抑制電池?zé)崾Э貍鞑サ淖饔眯Ч?，其中建立的模型可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電池模塊中TRP的溫度行為。模型與試驗(yàn)的平均TR傳播時(shí)間偏差分別為4.03%、13.37%、3.49%。LIU X Y等采用多尺度多域建模方法，建立了由7.2 mm針刺觸發(fā)電池10 mm×10 mm內(nèi)部短路面積的12顆方形電池?zé)崾Э貍鞑ミ^(guò)程，仿真過(guò)程中將冷板中的水視為不可壓縮流體及層流流動(dòng)的方式，模型誤差率可控制在5.2%?；陔姵?zé)崾Э丶捌鋫鞑ミ^(guò)程設(shè)計(jì)了一種新型微通道冷板，結(jié)合隔熱氣凝膠材料間隔排布在電芯間，協(xié)同抑制了電池?zé)崾Э氐膫鞑?，電芯間的最小距離可控制在6 mm，冷板入口最小流速可控制在0.002 m/s。
4 結(jié)論與展望
現(xiàn)有針對(duì)抑制電池?zé)崾Э丶捌浠鹇拥奈鼰嵝拖嘧儾牧涎芯恐饕性谠龃蟛牧系南嘧儩摕?、提升材料的?dǎo)熱能力、增強(qiáng)材料的阻燃性、改善材料的易泄漏相分離的局限性，無(wú)機(jī)水合鹽類相變材料用于抑制電池?zé)崾Э丶盎鹇迂酱鼮樯钊氲难芯?。?duì)于隔熱型多孔材料，提升材料孔隙率、復(fù)合增強(qiáng)纖維以降低材料的熱導(dǎo)率，設(shè)計(jì)優(yōu)化新型材料結(jié)構(gòu)組分使材料多功能化是未來(lái)的研究趨勢(shì)。
此外，兼顧電池?zé)峁芾砩岷蜔崾Э刈韪糇饔玫奈鼰?隔熱新型填隙材料是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和最優(yōu)方案，降低復(fù)合材料成本，較少地犧牲系統(tǒng)級(jí)電池能量密度是材料大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。目前基于吸熱型阻隔材料抑制電池單體及小型模組電池的熱失控及傳播的研究較為豐富，但針對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能電池的熱失控防護(hù)策略以及仿真模型建立仍有待深入挖掘。未來(lái)研究的熱點(diǎn)包括以下方面：
1）拓?fù)鋬?yōu)化微流道設(shè)計(jì)冷板與隔熱材料的結(jié)合應(yīng)用；
2）無(wú)機(jī)水合鹽相變材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及其在電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用；
3）多功能阻燃隔熱材料抑制大規(guī)模儲(chǔ)能電池火蔓延的應(yīng)用；
4）基于分子動(dòng)力學(xué)原理，對(duì)阻隔材料在電池?zé)崾Э剡^(guò)程中的影響進(jìn)行模擬分析；
5）大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能的火災(zāi)模擬及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；
6）基于人工智能算法對(duì)新型阻隔材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能預(yù)測(cè)。
