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摘要：隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，新能源汽車越來越普遍地被公眾接受，市場保有量快速攀升，隨之而來的是新能源汽車自燃事件頻發(fā)，這使得動力電池的熱失控及熱安全成為各大車企研究的重點。分析當(dāng)前新能源汽車熱失控的反應(yīng)機制及觸發(fā)方式，提出熱安全管理措施和熱失控預(yù)警策略等，以推動動力電池?zé)岚踩O(shè)計優(yōu)化，提升風(fēng)險預(yù)警和管控技術(shù)水平，從而保障乘員生命及財產(chǎn)安全，消除用戶安全焦慮，促進新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；動力電池；熱失控；隔熱材料

0 引言

隨著新能源汽車市場的快速發(fā)展，新能源汽車的普及程度和保有量節(jié)節(jié)攀升，全面新能源化已成為中國乃至全球汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、綠色發(fā)展的主要方向及目標(biāo)[1]。鋰離子電池由于具有能量密度高、輸出功率高、自放電率低和工作溫度范圍大等特點，已成為新能源汽車的主要動力電池類型，并得到廣泛應(yīng)用。然而，伴隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的壯大，新能源汽車安全問題也逐步顯現(xiàn)。中國汽車技術(shù)研究中心及國家消防救援局統(tǒng)計的2021 年至2024 年上半年新能源汽車火災(zāi)事故數(shù)量（圖1）顯示，2021 年、2022年的火災(zāi)事故數(shù)量持續(xù)攀升，2022年達(dá)到峰值4 000余起。隨著新能源汽車電池等的安全升級、用戶安全意識的提升及法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的加嚴(yán)，2023 年、2024 年火災(zāi)事故數(shù)量呈下降趨勢。盡管事故數(shù)量有所降低，但新能源汽車火災(zāi)仍對用戶生命安全構(gòu)成潛在威脅，依然是行業(yè)發(fā)展亟待解決的重要問題。騰訊網(wǎng)調(diào)查結(jié)果顯示，新能源汽車火災(zāi)事故原因（圖2）主要包括底盤磕碰和交通事故、充電事故、碰撞事故和電池故障等，近90%的火災(zāi)事故由動力電池?zé)崾Э卦斐蒣2-3]。動力電池?zé)崾Э夭粌H會引發(fā)用戶用車安全焦慮，還會阻礙新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，動力電池?zé)崾Э氐姆磻?yīng)機制、誘因、相關(guān)解決措施、安全預(yù)警策略等已成為當(dāng)前各大車企的研究熱點，相關(guān)研究成果對于推動我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的安全、綠色及健康發(fā)展具有重大意義。

圖1 新能源汽車火災(zāi)事故數(shù)量統(tǒng)計

圖2 新能源汽車火災(zāi)事故原因統(tǒng)計

1 熱失控反應(yīng)機制

動力電池在使用過程中產(chǎn)生的熱量與其內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)速率、電流大小、正負(fù)極材料等息息相關(guān)。電池溫度較高時，電池內(nèi)阻升高且表現(xiàn)異常。當(dāng)溫度超過80 ℃時，動力電池單體電芯會發(fā)生熱分解。其中，固體電解質(zhì)界面（solid electrolyte interface, SEI）膜的分解會導(dǎo)致動力電池負(fù)極活性物質(zhì)失去保護層，進而導(dǎo)致嵌入的鋰金屬與電解液發(fā)生副反應(yīng)，使動力電池升溫加劇。當(dāng)溫度升高至130～170 ℃時，隔膜閉孔。當(dāng)溫度升高至190 ℃時，隔膜收縮且熔融，造成內(nèi)短路。短路產(chǎn)生的大電流會導(dǎo)致動力電池快速升溫，進而導(dǎo)致電解液和正極材料的分解[3]。綜上所述，當(dāng)動力電池發(fā)生熱失控時，其正負(fù)極材料分解并與電解液反應(yīng)釋放熱量及氣體，同時電解液分解、SEI膜分解、隔膜材料熔化等會產(chǎn)生不可控的化學(xué)反應(yīng)，進而造成熱安全事故。

2 熱失控誘因

動力電池?zé)崾Э卣T因可歸納為機械濫用、熱濫用、電氣濫用和其他濫用4種類型，具體如下。

（1）機械濫用。指的是動力電池在使用過程中受到擠壓、針刺、沖擊等，導(dǎo)致電芯變形、隔膜破損，進而導(dǎo)致正負(fù)極直接接觸，引發(fā)內(nèi)短路，產(chǎn)生大量熱量。動力電池自身也可能出現(xiàn)跌落、碰撞、高頻振動等情況，造成動力電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接松動或材料疲勞損傷，從而引發(fā)內(nèi)短路或電解液泄漏，導(dǎo)致熱失控。某車型機械濫用案例如圖3所示。

圖3 某車型機械濫用案例

（2）熱濫用。指的是動力電池遇熱或其模組熱管理設(shè)計不合理等[4]導(dǎo)致溫度超過安全閾值。具體而言，當(dāng)動力電池在高溫環(huán)境中工作或被外部熱源加熱時，其接觸電阻增大，產(chǎn)生異常的電阻熱。當(dāng)動力電池?zé)峁芾斫Y(jié)構(gòu)及使用策略設(shè)計不合理時，動力電池在工作過程中會出現(xiàn)熱量堆積，進而導(dǎo)致局部溫度過高，使其熱穩(wěn)定性受到影響。

（3）電氣濫用。包含過充電、過放電、高倍率充放電和內(nèi)短路等問題。過充電時，正極材料的副反應(yīng)釋放大量熱量。過放電時，負(fù)極材料結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致內(nèi)短路及高倍率充放電時性能惡化，進而導(dǎo)致電芯內(nèi)阻增大，產(chǎn)生大量熱量，造成內(nèi)部SEI膜結(jié)構(gòu)坍塌。過度充放電還會造成鋰離子電池負(fù)極負(fù)載過大，過多的鋰離子因無法順利脫嵌而生成鋰枝晶并穿透隔膜材料，造成內(nèi)短路[5]。此外，電氣濫用還會造成動力電池內(nèi)部鋰離子遷移運動紊亂，使得動力電池電解質(zhì)或電解液等發(fā)生分解，從而產(chǎn)生更多熱量。

（4）其他濫用。除上述3 種誘因外，動力電池在高溫、低溫及高濕等極端惡劣環(huán)境中循環(huán)充放電，會加速老化和退化，破壞電解質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，導(dǎo)致正負(fù)極材料和電解液中活性物質(zhì)的分解等，造成電芯內(nèi)部產(chǎn)氣、內(nèi)阻增大及鋰枝晶生長等問題。同時，動力電池系統(tǒng)和電芯中混入的雜質(zhì)及隔膜等表面殘留的粉塵，也會間接造成動力電池短路，誘發(fā)熱失控。

3 熱失控應(yīng)對措施

為減少新能源汽車鋰離子動力電池?zé)崾Э厥鹿?，保障用戶的生命及財產(chǎn)安全，我國制定并強制執(zhí)行電動汽車及動力電池安全相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，如GB 38031—2025《電動汽車用動力蓄電池安全要求》規(guī)定了新能源汽車動力電池組和電芯的安全要求及測試方法，以更好地預(yù)防鋰離子動力電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生。當(dāng)前，國內(nèi)外采取的動力電池?zé)崾Э胤雷o措施主要集中在內(nèi)外部防護系統(tǒng)及新材料應(yīng)用、電池管理系統(tǒng)優(yōu)化、生產(chǎn)制造質(zhì)量和工藝改善等方面，具體如下。

3.1 內(nèi)外部防護系統(tǒng)及新材料應(yīng)用

優(yōu)化動力電池結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料，如增加底護板、采用高強鋼和緩沖材料，可增強動力電池底部抗碰撞和整體抗沖擊、抗擠壓的能力。此設(shè)計方案已得到驗證。例如，行業(yè)內(nèi)某款動力電池因搭載底護板和采用新材料，相比于采用傳統(tǒng)鈑金材料并結(jié)合PVC 涂層的動力電池，具有更高的抗底部球擊和刮擦能力，在300 J 的撞擊能量下動力電池外殼能夠不破裂，性能優(yōu)于行業(yè)平均水平。

目前，國內(nèi)外動力電池防火設(shè)計主要采用預(yù)氧化纖維氣凝膠、玻璃纖維氣凝膠及陶瓷纖維氣凝膠等隔熱材料[6]。氣凝膠是一種具有納米多孔結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)材料，由于具有較高孔隙率（80%～99.8%）、較高比表面積（500～1 200 m2/g） 及極低熱導(dǎo)率［0.013～0.025 W /(m·K)］，因此常被應(yīng)用于航空航天、建筑和新能源汽車。不過，由于氣凝膠自身存在結(jié)構(gòu)均勻性差、強度低、性能邊界有限和制造成本高的缺點，因此新型復(fù)合相變隔熱材料被逐漸應(yīng)用于動力電池隔熱技術(shù)中。以市場上某款復(fù)合相變隔熱材料為例，其相對于氣凝膠具有低溫傳熱、中溫吸熱和高溫隔熱的特性。利用低溫傳熱特性可提高動力電池充放電過程中模組和電芯間溫度的均勻性，從而提高電芯的溫度一致性；利用中溫吸熱特性（即復(fù)合材料相變轉(zhuǎn)化）可吸收熱失控引發(fā)的過程中的部分熱量；利用高溫隔熱特性可阻斷某一電芯熱失控引發(fā)的向其他電芯的熱蔓延[7]。同時，各大電芯及原材料廠商通過對材料進行改性，如使用熱穩(wěn)定性更高的正極材料，開發(fā)耐高溫的電解液和隔熱膜，降低動力電池受到針刺和擠壓時損壞的風(fēng)險；設(shè)計泄壓閥及排氣通道，以防止動力電池內(nèi)部壓力過高導(dǎo)致起火、爆炸等。表1 是基于相關(guān)文獻(xiàn)及市場使用情況，對不同隔熱材料性能的對比。

表1 不同隔熱材料性能對比

3.2 電池管理系統(tǒng)優(yōu)化

通過優(yōu)化電池管理系統(tǒng)（battery management system,BMS）完善熱失控防控措施，具體如下。

（1）實時監(jiān)控電池內(nèi)部各區(qū)域的溫度，及時識別溫度異常區(qū)域。

（2）將冷卻與加熱系統(tǒng)結(jié)合進行高效熱管理，確保動力電池在適宜溫度下工作。

（3）實施過充過放防護和電流限制，避免因出現(xiàn)過大電流而引發(fā)熱量積聚。

（4）通過數(shù)據(jù)分析進行故障預(yù)警和快速定位，及時采取隔離和斷電措施，優(yōu)化熱管理策略，提升防控能力。

（5）在熱失控風(fēng)險較高時自動切斷電路，防止事故，同時可觸發(fā)聲光報警，提醒用戶采取應(yīng)急措施。

3.3 生產(chǎn)制造質(zhì)量和工藝改善

通過改善生產(chǎn)制造質(zhì)量和工藝，提升電芯和動力電池系統(tǒng)的整體安全性，降低熱失控風(fēng)險。

3.3.1 生產(chǎn)制造質(zhì)量改善

（1）通過提升涂布均勻性，避免局部過熱。

（2）優(yōu)化極片壓實密度，在降低電芯內(nèi)阻的同時減少熱量積累。

（3）提升焊接工藝質(zhì)量，確保連接結(jié)構(gòu)牢固，降低接觸電阻，減少發(fā)熱。

（4）采用高強度封裝材料和先進工藝，提升電池機械強度和能量密度，避免電芯漏液引發(fā)熱失控。

（5）加入質(zhì)量控制和檢測流程，引入在線檢測技術(shù)，實時監(jiān)控生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵參數(shù)。具體措施如下：嚴(yán)格控制電芯一致性，確保電池均衡性；開展電芯老化和熱失控測試，確保電池在極端條件下的安全性。

3.3.2 工藝改善

（1）電芯。對正負(fù)極材料進行改性，如選用高鎳作為正極材料，選用硅碳作為負(fù)極材料，提升電芯熱穩(wěn)定性；采用阻燃或固態(tài)電解質(zhì)，降低電芯易燃性；使用陶瓷涂層隔膜等耐高溫隔膜，防止高溫收縮導(dǎo)致的短路。

（2）電池。通過優(yōu)化電池?zé)峁芾碓O(shè)計，確保電池散熱和受熱均勻，避免局部過熱；采用導(dǎo)熱膠或相變材料等高導(dǎo)熱材料，提升散熱效率。還可加強工藝創(chuàng)新，如采用干電極工藝，減少溶劑的使用，提升電池性能和安全性；采用預(yù)鋰化技術(shù)，提升首次充放電效率，減少副反應(yīng)和熱量的產(chǎn)生。

4 結(jié)束語

動力電池?zé)崾Э厥且粋€極其復(fù)雜的問題，涉及多種原因及模式。本文提出可采用內(nèi)外部防護系統(tǒng)及新材料應(yīng)用、電池管理系統(tǒng)優(yōu)化、生產(chǎn)制造質(zhì)量和工藝改善等措施，有效預(yù)防或降低熱失控風(fēng)險，提升動力電池安全性，進而為提升整車安全性做出貢獻(xiàn)。