給易燃的鋰電池穿上安全“隔熱服”
時間：2023-08-31 12:21:12
據多家媒體報道，日前，一輛城際公交車行駛在104國道南京段，突然間車輛起火，造成2死5傷。后經調查，公交車起火是由于一名乘客將鋰電池電瓶放入背包中，司機并未發現，鋰電池電瓶發生自燃。
鋰電池引起火災已經多次被報道，安全隱患就在我們身邊。鋰電池的自燃風險如何產生？是否有改進方案，使其自燃風險大大降低？
(資料圖)
鋰電池為什么容易自燃
“當鋰電池的內部溫度達到70℃左右時，負極的固態電解質膜開始分解，發生自放熱反應，隨著溫度進一步升高，多個副反應相互影響，于是電池產生鼓包、膨脹直至熱失控。”南京工業大學材料科學與工程學院教授楊暉向《中國科學報》介紹了鋰電池發熱原理。
由鋰電池自放熱反應導致的電池熱失控，已成為制約鋰電池進一步發展應用的瓶頸。2022年9月29日，成都某小區新能源汽車在充電過程中發生爆炸，致兩人受傷。2023年6月6日，杭州一輛新能源車碰撞收費站設施后迅速起火，造成4人死亡。
然而，目前正在開發的高安全、高能量密度的半固態、全固態鋰電池，因存在生產環境要求嚴苛、生產過程煩瑣復雜、良品率低、價格昂貴等問題，遲遲不能量產。
“目前商用能量密度較高的高鎳三元鋰電池，其熱失控伴隨著劇烈的噴射、燃燒等現象，最高溫度達1200℃，并釋放出有毒有害氣體。”楊暉告訴《中國科學報》。
電瓶是由多塊電池排列組合而成，當單塊電池發生熱失控后熱量便會傳遞至周圍電池，引發熱失控蔓延。“當然，電瓶中的電池若均一性較差，存在壓差，導致個別電池存在過充、過放等現象，本征安全性也會較差。”楊暉說。
他補充說，若老舊電瓶內部線路排布出現老化、松動，再在運輸過程中出現顛簸，也會導致線路短路、電池異常放熱，發生熱失控。這輛城際公交車的事故發生在中午，氣溫較高，電瓶可能受到了陽光照射，導致局部過熱，由于電瓶的散熱性能很差，內部熱量堆積引起熱失控。
防范鋰電池爆炸的四種方法
為了控制鋰電池爆炸帶來的風險，按照規定，額定能量超過160Wh的充電寶不能攜帶上飛機。高鐵出行時攜帶充電寶需滿足標志清晰可見且單塊額定能量不超過100Wh的要求。乘客乘坐客運班車時所攜帶的充電寶、鋰電池數量不得超過5塊、單塊額定容量不得超過20000mAh。
“除了適時檢測挑出鼓包等異常電池，確保電池運輸過程環境安全外，防止熱失控最關鍵。”南京工業大學材料科學與工程學院博士生湯進介紹道，國標《電動汽車用動力蓄電池安全要求》已明確規定在電池包中設置電池監測及早期預警系統。
“利用電池管理系統監測電池的電壓、電流、溫度等情況，一旦發現某一電芯出現異常，應立即斷開該電池與系統的連接并進行報警。”湯進說。
據湯進介紹，當下防范鋰電池爆炸主要有電池冷卻系統、細水霧熱失控防護、泄壓抑爆系統和電池隔熱系統四種方法。
電池冷卻系統通過風冷、液冷、直冷等熱管理調節電池組溫度，避免電池過熱，或在電池發生熱失控時為系統迅速降溫，延緩熱失控蔓延。
細水霧熱失控防護是在電池包中設置滅火裝置，在發生電池火災時通過噴射七氟丙烷和全氟己酮滅火劑，抑制鋰離子電池熱失控前期的火勢蔓延。
泄壓抑爆系統是在電池發生熱失控時主動排風，利用惰性氣體控制預制艙內可燃氣體濃度、降低可燃氣體極限氧濃度，以防止爆炸發生。
鋰電池一旦發生熱失控，從冒煙到爆炸僅需56秒。如何迅速阻斷某一個電芯熱失控時的熱傳遞？南京工業大學材料學院博士生吳新遠說，在電池/模組間使用電池隔熱片，抑制熱量向周圍電池傳遞，延緩熱失控蔓延，力求哪怕“城門”失火也不會殃及“池魚”。“電池隔熱系統能有效阻斷熱失控，因而更受市場歡迎。”
氣凝膠氈成為隔熱“明星”
較之其他隔熱材料，氣凝膠氈憑借更低的導熱系數、更好的耐高溫性能脫穎而出，成為目前主流電池隔熱片“新寵”。此外，南京工業大學材料科學與工程學院教授沈曉冬告訴《中國科學報》，復合相變材料可以吸收電池熱失控散發的熱量，對延緩熱失控蔓延也具有顯著效果。
湯進由楊暉和沈曉冬共同指導，他的博士課題便是關于利用氣凝膠改善鋰電池系統安全性的研究。
他表示，能量密度高的高鎳三元鋰電池目前在高端電動車中應用逐漸增加。但高鎳三元安全性差，在熱失控時其最高溫度能超過1000℃。氣凝膠是阻斷電池熱蔓延隔熱材料中的一種，但普通的硅基氣凝膠一般只能隔斷600℃左右的溫度，不適用于高鎳三元鋰電池。
沈曉冬團隊研發并量產的耐1200℃高溫的氧化硅氣凝膠材料已成功應用于鋰離子動力電池芯組間的隔熱。“該材料為芯組構筑了一道高性能‘防火墻’，很好地阻斷了熱失控過程中的熱蔓延，相當于給鋰電池穿上安全‘隔熱服’，也為人民生命安全穿上‘防護服’。” 沈曉冬說。
“氣凝膠納米級網狀骨構孔洞中超99%的空隙由空氣填充。”沈曉冬介紹道，空氣是熱的不良導體，而氣凝膠中的空氣被網格絆住了“腳”無法流動，因此導熱性較之空氣更低，成為隔熱“明星”。
今年5月，沈曉冬團隊研發的耐1200℃的新型氣凝膠氈產品問世，并在江蘇珈云新材料有限公司完成A輪融資，實現了高性能氧化硅氣凝膠系列產品量產。
湯進表示，如果這起事故的電瓶中使用了氣凝膠氈隔熱材料，單塊電池發生熱失控時所釋放的有限能量就會被阻斷，不會迅速熱蔓延至相鄰電池引發爆燃，有望給予乘客充足的時間逃生。該火災甚至有可能在早期被撲滅，而不會引起電動公交車自燃、導致重大的人身安全和財產事故。他們特別期待，自己研發的新技術能早日在生活中發揮強有力的保護作用。
