阻燃隔熱涂層在鋰離子動(dòng)力電池PACK中的應(yīng)用研究

張慶波

摘 要：電動(dòng)汽車所使用的電池以鋰電池為主，一般由多個(gè)單體電池以串聯(lián)或者并聯(lián)的方式組成一個(gè)電池組，滿足電動(dòng)汽車的需求。受鋰電池特性的影響，其在放電的過程中，會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，如果不能及時(shí)進(jìn)行散熱操作，電池的溫度就會(huì)迅速升高，影響電池的適應(yīng)年限，甚至發(fā)生燃燒、爆炸等危險(xiǎn)。本文對鋰離子動(dòng)力電池PACK進(jìn)行闡述，分析鋰離子電池燃燒機(jī)理，并且探究了阻燃隔熱涂層在鋰離子動(dòng)力電池PACK中應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：阻燃隔熱涂層;鋰離子動(dòng)力電池;電池PACK

近幾年，電動(dòng)汽車在我國市場中得到了迅猛的發(fā)展，由于鋰電池的性價(jià)比加高，相關(guān)技術(shù)比較成熟，因此電動(dòng)汽車的蓄電池以鋰電池為主，路面上，電動(dòng)汽車的數(shù)量逐漸增多，隨著鋰電池使用的增加，部分問題也逐漸突顯出來。部分電動(dòng)汽車出現(xiàn)鋰電池燃燒的問題，危險(xiǎn)性較高，這主要是由于鋰電池過熱而導(dǎo)致的問題，為了提高電動(dòng)汽車的安全性，在鋰離子動(dòng)力電池PACK中就需要添加阻燃隔熱涂層，以此實(shí)現(xiàn)對電池使用風(fēng)險(xiǎn)的控制。

1 鋰離子動(dòng)力電池PACK概述

鋰離子電池是基于先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的電池，電池中，鋰離子是主要的成分。鋰離子電池由電池正極、電池負(fù)極、電解質(zhì)以及隔膜共同組成，其中，電池的正極與負(fù)極能夠?qū)﹄姵氐男阅墚a(chǎn)生影響，而電解質(zhì)與電池隔膜能夠?qū)﹄姵氐陌踩援a(chǎn)生影響。要想使鋰電池正常運(yùn)行，那么電池的每個(gè)組件缺一不可。鋰電池的結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

鋰電池的工作原理比較簡單，主要是通過鋰離子在正極與負(fù)極之間不斷嵌入與嵌出，實(shí)現(xiàn)充電與放電，使電能與化學(xué)能之間相互轉(zhuǎn)換。在市面中，常見的鋰電池有兩種，分別是液態(tài)鋰離子電池與聚合物鋰離子電池，兩種鋰電池的結(jié)構(gòu)對比，如下表1所示。

兩者相比較而言，聚合物鋰離子電池安全性會(huì)更高，其電解質(zhì)為膠體形態(tài)，不容易發(fā)生泄漏，在工藝與技術(shù)方面，裝配也比較容易，燃燒、爆炸等問題發(fā)生的概率也比較低。本文針對電動(dòng)汽車中的鋰電池展開研究，在電動(dòng)汽車中，常見的鋰電池主要有磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、鈷酸鋰電池以及錳酸鋰電池。國內(nèi)外多家汽車企業(yè)對鋰電池進(jìn)行研究與實(shí)驗(yàn)，比如豐田公司實(shí)驗(yàn)室研究表明，當(dāng)前市場中液體鋰電池為主流電池，但是受鋰電池特性以及性價(jià)比等方面的影響，在未來發(fā)展的過程中，固態(tài)鋰電池會(huì)逐漸成為電動(dòng)汽車應(yīng)用的主流電池。

2 鋰離子動(dòng)力電池燃燒機(jī)理

在電動(dòng)汽車中，鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展燃燒、爆炸問題主要是由熱失控、熱擴(kuò)散以及電解質(zhì)泄露三個(gè)原因?qū)е碌?，具體燃燒機(jī)理如下：

2.1 熱失控

熱失控是鋰電池燃燒比較常見的原因之一，熱失控是指電池中液態(tài)的鋰離子電池其外部溫度迅速升高，電池內(nèi)部發(fā)生短路問題，電池組進(jìn)水或者正負(fù)極發(fā)熱等等，在諸多原因作用下導(dǎo)致電池組的溫度升高，并且無法將熱量散發(fā)出去，電池溫度越來越高，在高溫的作用下，電池組就會(huì)出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象。電池組是由多個(gè)單體電池組成，引發(fā)單個(gè)電池出現(xiàn)熱失控的因素比較復(fù)雜，一般以電流過大或者溫度過高的誘因?yàn)橹鱗1]。在鋰電池發(fā)生熱失控問題時(shí)，當(dāng)溫度達(dá)到90℃，處于負(fù)極的膜就會(huì)開始溶解，溫度就會(huì)持續(xù)升高，當(dāng)溫度達(dá)到230℃時(shí)，鋰電池中的電解質(zhì)就會(huì)被蒸發(fā)，從而出現(xiàn)燃燒等安全事故。

2.2 熱擴(kuò)散

熱失控一般是指電池組中單體電池發(fā)生的問題，而熱擴(kuò)散是指，單體電池出現(xiàn)熱失控之后，其向其他電池進(jìn)行擴(kuò)散，電池組以及周圍區(qū)域出現(xiàn)熱量增加、溫度上升的問題，熱擴(kuò)散會(huì)引發(fā)諸多連鎖反應(yīng)，當(dāng)發(fā)生熱擴(kuò)散現(xiàn)象時(shí)，電池的表面溫度能夠達(dá)到將近1 000℃。這樣的高溫就會(huì)引發(fā)燃燒，甚至?xí)紵狡囍車奈矬w，危險(xiǎn)性較高。電池內(nèi)部發(fā)生燃

燒需要具備三個(gè)條件，即燃燒物、火源以及氧氣[2]。為了對這類事故進(jìn)行控制，為車內(nèi)人員提供逃生的時(shí)間，汽車廠商在汽車生產(chǎn)的時(shí)，需要使用具有阻燃特性的汽車材料。

2.3 電解液泄露

電動(dòng)汽車在使用的過程中，可能會(huì)出現(xiàn)電解質(zhì)泄露的問題，電解質(zhì)出現(xiàn)泄露，在早期發(fā)熱現(xiàn)象并不明顯，因此不易被察覺。電解質(zhì)屬于腐蝕性液體，具有易揮發(fā)、有毒等特性，當(dāng)其出現(xiàn)泄露之后，對空氣等會(huì)造成嚴(yán)重的污染，與其解除的人也會(huì)出現(xiàn)頭痛、惡心等中毒現(xiàn)象。

3 阻燃隔熱涂層在鋰離子動(dòng)力電池PACK中應(yīng)用

3.1 電池包設(shè)計(jì)

為了提高鋰電池的安全性，還需要從電池生產(chǎn)商角度出發(fā)，從根本提高電池的安全性。在對電池包進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該充分考慮電池包的安全性。電池包安全技術(shù)，能夠在電池發(fā)生熱失控、熱擴(kuò)散以及電解質(zhì)泄露時(shí)最大程度保障安全性。電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)、阻燃隔熱涂層等設(shè)計(jì)。

首先，在電池包內(nèi)部設(shè)計(jì)方面，應(yīng)該對電氣的布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免插件過多或者走線不合理等問題，使電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠更加合理。還需要對電池中電氣間隙進(jìn)行優(yōu)化處理，保障當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時(shí)，電池由足夠的安全空間。為了降低電池短路的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)該采取分布式電源裝置方式[3]。

其次，使用阻燃隔熱涂層，當(dāng)前市面中比較常見的阻燃隔熱涂層為模間隔熱設(shè)計(jì)技術(shù)，該技術(shù)主要是指在模組之間增加阻燃隔熱涂層或者零件等，特斯拉電動(dòng)汽車的電池組就添加了云母片，以此達(dá)到阻燃隔熱的要求。

第三，安全防爆炸設(shè)計(jì)，為了避免由于碰撞或者過度充電等造成的熱失控現(xiàn)象，在電池布局方面，設(shè)計(jì)指定的氣體排放空間，使電池內(nèi)的高壓氣體能夠得到釋放，有效提高電池安全性[4]。

3.2 阻燃隔熱涂層實(shí)驗(yàn)

為了了解阻燃隔熱涂層的有效性，本文對阻燃隔熱涂層在鋰離子動(dòng)力電池PACK中應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)材料：鋰電池PACK殼體、阻燃隔熱涂層、高壓無氣噴涂機(jī)。

實(shí)驗(yàn)過程：將阻燃隔熱材料噴涂在某品牌電動(dòng)汽車的電池包表面，使阻燃隔熱涂層能夠達(dá)到200 μm、300 μm、400 μm，然后進(jìn)行正常的養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)結(jié)束之后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)國家相關(guān)實(shí)驗(yàn)規(guī)定，對電池包進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，然后記錄燃燒之前、燃燒過程中以及燃燒之后的數(shù)據(jù)，為結(jié)果分析提供可靠的依據(jù)。

3.3 阻燃隔熱涂層實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)之后，對阻燃隔熱涂層實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，合金的著火點(diǎn)為650℃，在實(shí)驗(yàn)過程中，燃燒的溫度能夠到達(dá)1 300℃，沒有阻燃隔熱涂層保護(hù)的合金材料發(fā)生了劇烈的燃燒。在實(shí)驗(yàn)過程中，阻燃隔熱涂層主要是水性單組固化涂層。據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)發(fā)生燃燒時(shí)，噴有阻燃隔熱涂層的電池然后了將近2分鐘后自動(dòng)熄滅，電池包處于正常的狀態(tài)。然后本文繼續(xù)對噴有300 μm、400 μm涂層的電池進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，300 μm的涂層耐燃燒時(shí)間能達(dá)到15分鐘，400 μm涂層的耐燃燒時(shí)間能夠達(dá)到25分鐘。由此可見，在電動(dòng)汽車電池組中，增加阻燃隔熱涂層的設(shè)計(jì)，能夠有效控制電池燃燒、爆炸等事故，為車內(nèi)人員提供充足的逃生時(shí)間。

4 總結(jié)

總而言之，電動(dòng)汽車是近些年新興起的產(chǎn)業(yè)，其符合產(chǎn)業(yè)的發(fā)展的一般規(guī)律，即在發(fā)展初期會(huì)存在一些問題，在發(fā)展的過程中，不斷解決問題，使產(chǎn)業(yè)安全性等被完善。安全是電動(dòng)汽車發(fā)展的根本，鋰離子動(dòng)力電池燃燒問題的產(chǎn)生因素比較多，除技術(shù)問題之外，還會(huì)受到其他因素的影響。為了提高鋰離子動(dòng)力電池使用的安全性，應(yīng)該從電池生產(chǎn)廠家、整車廠家、消防部門以及充電領(lǐng)域等等均采取相關(guān)的安全措施，才能夠使電動(dòng)汽車的使用安全得到保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]李祥瑞.鋰離子動(dòng)力電池PACK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與散熱優(yōu)化[D].山東大學(xué)，2020.

[2]盤朝奉，李桂權(quán)，陳龍，等.鋰離子動(dòng)力電池組相變材料散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化簡[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2017（9）：16-19.

[3]于成龍，劉瑩，喬鑫.基于多學(xué)科優(yōu)化的鋰離子動(dòng)力電池包輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2019，10（2）：233-240.

[4]徐保峰，陳鋼華，黃林德.阻燃隔熱涂層在鋰離子動(dòng)力電池PACK中的應(yīng)用[J].電池工業(yè)，2018（2）：15-16.