中国储能网讯：锂离子电池以其能量密度高、生命周期长和自放电率低等优点，被广泛应用于电动汽车和储能电站等领域。然而，近年来锂离子电池相关的火灾爆炸事故频发，引起了社会大众对其安全性的高度关注和担忧。热失控是引发锂离子电池火灾和爆炸事故的直接原因，绝大部分事故都涉及热失控和热失控传播两个过程。单体电池热失控的产热有限，造成的危害相对可控。然而，如果单个电池的热失控进一步扩散，引起整体系统的热失控传播，将会短时间内释放大量热量，并产生有毒可燃气体，造成严重的消防安全事故。在监管方面，联合国欧洲经济委员会第20号“电动汽车安全全球技术法规（GTR EVS）”和中国国家标准《电动汽车用动力蓄电池安全要求》（GB 38031—2020）中均要求电动汽车的动力电池包能够监测电芯单体的热失控行为，并发出警告信号，确保乘客在事故发生前有足够时间逃生，且中国标准明确规定了这一时长为5min。为了应对锂离子电池热失控及其传播带来的安全挑战，研究锂离子电池热失控传播的阻隔材料具有重要意义。

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锂离子电池热失控机理

锂离子电池热失控的诱因可分为：机械滥用、电滥用和热滥用。3种滥用方式可独立发生，但也存在一定因果关系。在热失控过程中，电池内部主要发生：固体电解质（SEI）膜分解、正/负极-电解液反应、隔膜融化、电解液分解和粘连剂分解等化学放热反应，这些反应并没有严格的先后顺序，热失控机理如图1所示。此外，研究人员利用加速量热仪实现了对热失控特性的定量分析，通过对多种不同类型电池进行测试，总结出了热失控的3个特征温度T1、T2、T3和一个关键参数——最大温升速率max{dT/dt}，如图2所示。总体而言，单体电池热失控防控的目标就是提高T1和T2，降低T3和max{dT/dt}。

图1 锂离子电池热失控机理图

图2  锂离子电池热失控的临界温度图

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锂离子电池热失控传播机制

锂离子电池热失控传播也被称为热失控蔓延或热失控扩散，是指在电池模组中，当某个单体电池发生热失控后，其内部链式反应和外部燃烧行为所释放的大量热量传递给周围电池，进而触发大规模的连锁反应，导致电池系统全面失效的过程。

2.1 锂离子电池热失控传播实验

在锂离子电池热失控传播实验研究中，研究人员主要探讨了热失控传播的路径以及其影响因素。Feng等研究发现锂离子电池热失控释放总热量的12%就足以触发相邻电池热失控，其中电池外壳传递的热量起主导作用，电极连接器传递的热量占1/10，喷射火焰的影响则相对较小。Yan等研究发现在电池热失控发生前，传热主要通过空气传导进行；在热失控发生后，主要方式则变为热辐射。此外，研究人员也探讨了正极材料、荷电状态、连接方式、充/放电倍率和环境压力等多种因素对热失控传播的影响。Ouyang等研究了荷电状态对热失控传播的影响，结果表明电池荷电状态越高，热失控触发时间越早，传播速度越快，质量损失越大，峰值温度越高，热危害越严重。Huang等针对不同连接方式的电池组进行了热失控传播实验，得出热失控的传播速度排序为：并联>串联>非连接模块。在之后的研究中，Huang等又对比了不同正极材料的锂离子电池热失控传播特性，结果表明三元锂电池的热失控持续时间和最高温度要明显高于磷酸铁锂电池。Hu等研究了充电倍率对热失控传播的影响，发现充电速率越高，热失控传播的时间越短。Liu等研究了环境压力（0.1~100kPa）对线性排列电池组热失控传播的影响，结果表明随着气压的降低，热失控传播速率先增加后降低。

2.2 锂离子电池热失控传播模型

热失控传播模型是用于描述和预测电池系统热失控扩散行为的理论模型，通过增加或降低模型的复杂度和精度，可以适应不同规模和类型的电池系统。热失控传播的建模方法主要包括基于集总参数的热阻网络模型和基于计算流体力学的三维数值模型。

在热阻网络模型中，每个电池单元都被视为一个具有质量、比热容和热源的独立节点，并通过特定的热阻连接起来。热阻网络模型的建模过程通常可分为单个电池节点的热生成模型开发和基于能量平衡原理的节点整合两部分。

热阻网络模型在处理几何形状复杂的系统时存在一定的局限性，且无法获取热失控传播期间电池的详细温度分布信息。相比之下，基于传热控制方程开发的三维数值模型不仅能够克服这些限制，而且还能够整合多物理场模拟，但其计算成本也更高。

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锂离子电池热失控传播阻隔材料

锂离子电池热失控传播的阻隔方式主要包括隔热与散热两种类型。隔热主要通过在电池单体或模组间添加低热导率、耐高温的隔热材料，阻隔电池间的热量传递；散热主要通过添加吸热材料（高热容量材料或相变材料），吸收热失控释放的热量，减少热量传递，降低热失控传播的风险。

3.1 隔热型阻隔材料

热失控发生时，在单体电池与模组间添加隔热材料能有效防止热失控产生的高温烟气对相邻电芯或模组造成损害，从而控制热失控在整个系统中的传播。

目前，用于隔热的材料主要包括气凝胶、纳米纤维和一些新型的复合材料等。

此外，有关隔热材料的研究内容也包括不同材料间的性能比较，以及材料厚度、布局方式等因素对抑制效果的影响等方面。

3.2 散热型阻隔材料

在电池之间添加高热容量材料或相变材料可吸收电池热失控释放的热量，提升电池组向环境散热的能力，降低热失控传播的风险。金属板作为常见的高热容量材料，具备良好的导热性能和机械强度。因此，研究人员尝试将它们用作抑制电池热失控的传播。

石蜡作为最典型的相变材料之一，具有成本低、无毒、形状适应性强和化学性质稳定等一系列优点，受到了专家学者们的广泛研究。然而，石蜡也存在着导热系数低和易燃烧的问题，可能加剧热失控传播的剧烈程度。为了解决这一问题，研究人员通过添加导热剂、阻燃剂或涂覆阻燃涂层等方法以改善其性质。

相比于石蜡等有机相变材料，无机相变材料则具有不燃的突出优点，因此研究人员也开始探索运用无机相变材料来抑制热失控传播。

3.3 隔热-散热双功能型阻隔材料

随着锂离子电池能量密度的不断提高，单一的热失控传播阻隔方式已难以有效应对潜在的热安全风险。仅添加隔热材料可能造成电池模块散热条件差，影响电池的正常工作性能。仅添加吸热材料的应用又难以完全抑制热失控在模组间的传播。因此，研究人员开始探索两种阻隔方式结合使用的方法。研究的主要方向集中在两种材料的组合结构设计和双功能型材料的开发上。

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结语与展望

全面概述了锂离子电池的热失控机理和热失控传播机制，并以此为理论基础，系统梳理了热失控传播阻隔材料的研究进展。基于对现有文献的综述，以下是对未来热失控传播阻隔材料发展的评价与展望：

（1）隔热材料优点在于被动性和可靠性，不需要额外能量消耗；缺点是容易造成电池组内热量积累，影响电池正常工作性能。其未来研究将聚焦于高性能超薄隔热材料的开发，以及电池模组内热传导阻隔路径的优化设计上。

（2）吸热材料优点在于简单可靠，可与电池热管理技术协同使用；缺点是金属构件类质量大、成本高，相变材料类热导率低、可燃、相变过程中易过冷泄漏。有机相变材料未来研究应侧重于阻燃、高导热、高可塑性或高机械强度的功能设计上。无机相变材料未来发展应专注于纳米封装和微胶囊化技术的应用上。

（3）隔热-散热双功能型阻隔材料中相变材料能够有效地散热，延缓热失控和热失控传播的发生时间，平衡隔热材料所带来的散热性能差异；隔热材料能够有效地阻隔热失控在系统中的传播，以解决相变材料失效后加剧热失控传播的问题。该方案已成为了当前研究新热点领域。其未来研究将着重于组合材料的结构设计和新型双功能材料的开发上，以减小其在模组内的空间占用。