當今，各個車企都在動力電池上大規(guī)模使用鋰電池，且能量密度越來越高，但是人們對動力電池的安全還是隨之色變，并不能很好的解決電池的安全問題。熱失控是動力電池安全性的主要研究對象，值得大家重點關注。

首先，讓我們了解什么是熱失控，熱失控指的由各種誘因引發(fā)的鏈式反應現象，導致電池在短時間內散發(fā)出的大量熱量和有害氣體，嚴重時甚至會引起電池著火和爆炸。導致熱失控發(fā)生的原因有很多，比如過熱、過充、內短路、碰撞等。電池熱失控往往從電池電芯內的負極SEI膜分解開始，繼而隔膜分解熔化，導致負極與電解液發(fā)生發(fā)應，隨之正極和電解質都會發(fā)生分解，從而引發(fā)大規(guī)模的內短路，造成了電解液燃燒，進而蔓延到其他電芯，造成了嚴重的熱失控，讓整個電池組產生自燃。

一、熱失控階段的劃分

熱失控的階段的劃分方法存在著不同的說法，核心應該是，跨越了哪個點，熱趨勢將無法逆轉。有理論認為這個點是隔膜的大規(guī)模溶解。在此之前，溫度降下來，物質活性下降，反應會減緩。一旦突破這個點，正負極已經直接相對，電芯內部溫度不可能被降低，無法終止反應的繼續(xù)了。該理論將熱失控劃分為三個階段，自生熱階段（50℃-140℃），熱失控階段（140℃-850℃），熱失控終止階段（850℃-常溫），一些文獻提供的隔膜大規(guī)模融化溫度起始于140℃。

自生熱階段，又被叫做熱積累階段，它開始于SEI膜的溶解。SEI膜在溫度達到90℃左右的時候，其溶解現象就會被明顯的觀察到SEI膜的溶解，使得負極以及負極內包含的嵌鋰碳成分直接暴露在電解液里，嵌鋰碳與電解液發(fā)生放熱反應，造成溫度升高。溫度的上升反過來促進了SEI膜的進一步分解。如果沒有外部降溫手段的作用，這個過程會滾動向前，直至SEI膜全部分解。

熱失控階段是指溫度超過140℃以后，正負極材料都加入了電化學反應的行列，反應物質量的增加，使得溫度的提升速度更快了。外部可以觀測到的參數變化，是電壓的急劇下跌，其過程被描述為：達到這個溫度區(qū)間后，隔膜開始大量融化，正負極直接連通，造成大規(guī)模短路的發(fā)生。至此，熱失控已經開始，不會再停下來。短時間內，劇烈的反應生成大量氣體的同時生成大量的熱，熱量又給氣體加熱，膨脹的氣體沖破電芯殼體，發(fā)生物質噴射之類的現象，四散的物質也帶走了部分熱量。熱失控達到了最激烈的狀態(tài)。最高溫度也在這個階段到達。如果周圍有其他電芯，則在此階段，通過把熱量向周圍傳播，熱失控可能向其他電芯蔓延。熱量可能通過連接的導電件傳導，也可能因為體積膨脹，原來保有間距的電芯，在此時已經彼此貼緊，電芯殼體之間直接傳導熱量。

熱失控終止階段。熱失控一旦發(fā)生，其終止只能是反應物全部燃盡。消防部門的一份報告顯示，對于鋰電池這種封閉殼體內包含高能量的裝置，消防手段暫時無法終止正在進行的熱失控。滅火劑，無法真正觸及正在進行的反應物質。消防員在火場風險很高，但能夠采取的措施比較有限，一般就是隔離事故現場。只有待反應物耗盡，熱失控過程才能自然終止。

二、熱失控的原因分析

導致熱失控的原因可分為內因和外因。內因往往是由于內部短路導致的；外因是由于機械濫用、電濫用、熱濫用等原因導致的，具體可參考下圖所示：

內部短路，就是電池的正負極直接接觸，接觸的程度不同，引發(fā)的后續(xù)反應也差別很大。通常由機械和熱量濫用引起的大規(guī)模內短路將直接觸發(fā)熱失控。相反，內部自行發(fā)展的內短路，程度比較輕微，它產生的熱量很少，不會立即觸發(fā)熱失控。內部自行發(fā)展常見的包括制造瑕疵，電池老化造成的各種性能的衰退，如內阻增大，長期輕度不當使用造成的鋰金屬沉積等等，隨著時間的積累，這種內因造成內短路的風險會逐漸增加。

機械濫用，指的是在外力作用下，鋰電池單體、電池組發(fā)生變形，自身不同部位發(fā)生相對位移。針對電芯的主要形式包括碰撞、擠壓和穿刺。比如車輛高速行駛中觸碰的異物，直接導致了電池內隔膜崩潰，進而造成了電池內短路，短時間內引發(fā)了自燃。

鋰電池的電氣濫用，一般包括外短路，過充，過放幾種形式，其中最容易發(fā)展成熱失控的要屬過充電。外短路，當存在壓差的兩個導體在電芯外部接通時，外部短路就發(fā)生了。電池組的外部短路可能是由于汽車碰撞引起的變形，浸水，導體污染或維護期間的電擊等。與穿刺相比，通常，外部短路釋放的熱量不會加熱電池。從外部短路到熱失控，中間的重要環(huán)節(jié)是溫度到達過高點。當外部短路產生的熱量無法很好的散去時，電池溫度才會上升，高溫觸發(fā)熱失控。因此，切斷短路電流或者散去多余熱量都是抑制外短路產生進一步危害的方法。過充電，由于其飽含能量，是電氣濫用中危害最高的一種。熱量和氣體的產生是過充電過程中的兩個共同特征。發(fā)熱來自歐姆熱和副反應。首先，由于過量的鋰嵌入，鋰枝晶在陽極表面生長。

鋰枝晶開始生長的時點，由陰極和陽極的化學計量比決定。其次，鋰的過度脫嵌導致陰極結構因發(fā)熱和氧釋放而崩潰。氧氣的釋放加速了電解質的分解，產生大量氣體。由于內部壓力的增加，排氣閥打開，電池開始排氣。電芯中的活性物質與空氣接觸以后，發(fā)生劇烈反應，放出大量的熱。過放電，電池組內電池之間的電壓不一致是不可避免的。因此，一旦BMS未能具體監(jiān)控到任何單個電池的電壓，具有最低電壓的電芯將被過度放電。過放電濫用的機制與其他濫用形式不同，其潛在的危險可能被低估。

在過放電期間，電池組中具有最低電壓的電池可以被串聯連接的其他電池強制放電。在強制放電期間，極點反轉，電池電壓變?yōu)樨撝?，導致過放電電池異常發(fā)熱。過放電引發(fā)的溶解的銅離子遷移通過膜并在陰極側形成具有較低電位的銅枝晶。隨著生長不斷升高，銅枝晶可能穿透隔膜，導致嚴重的內短路。

局部過熱可能是發(fā)生在電池組中典型的熱濫用情況。熱濫用很少獨立存在，往往是從機械濫用和電氣濫用發(fā)展而來，并且是最終直接觸發(fā)熱失控的一環(huán)。除了由于機械/電氣濫用導致的過熱之外，過熱可能由連接接觸松動導致接觸熱阻增大引起的引起。熱濫用也是當前被模擬最多的情形，利用設備有控制的加熱電池，以觀察其在受熱過程中的反應。

三、熱失控防護措施

從上述分析可以看出熱失控重在預防和監(jiān)測，只要需要在自生熱階段進行抑制熱失控的發(fā)生，因為一旦發(fā)生熱失控就無法進行拯救了，只能進行被動防護。

在自生熱階段為抑制電芯發(fā)生熱失控，我們有兩種方案，一是對電芯的材料進行改良升級，熱失控的本質主要在于正負極材料以及電解質的穩(wěn)定性。未來還需要在正極材料包覆、改性，同體電解質與電極的相容性以及提高電芯的導熱方面進行更高的突破?；蜻x用安全性高的電解液，起到阻燃的效果。二是需要從外部出發(fā)，采用高效的熱管理方案，抑制鋰電池的溫升，從而保證電芯的SEI膜不會上升到溶解溫度，自然就不會發(fā)生熱失控。

但是萬一達到熱失控階段，電池包就會發(fā)生劇烈的燃燒甚至發(fā)生爆炸，我們需要做的是對電池包內部進行防護，從而進一步防止熱蔓延現象的發(fā)生。熱失控防護可以從模組及電池包兩個級別進行防護。在模組上，我們可以通過在電芯間放置氣凝膠氈、云母阻燃材料、陶瓷隔熱墊等來減緩失控電芯向周邊電芯熱量的傳遞，也可以在模組內部放置相變材料，利用相變材料吸熱氣化的特性從而將失控電芯產生的熱量排出。

在電池包級別上，可以在模組與模組之間、模組與殼體之間放置云母板等隔熱材料，由于云母板的導熱系數較低（在0.3w/m*k以下），且耐溫較高，在短時間內可承受1200℃的高溫，絕緣性能優(yōu)異，故可以防止熱量向周邊件的傳遞，也可以防止電芯失控后產生的噴射物語周邊件產生拉弧現象。也可以在電池包內部噴涂膨脹涂層（雙組份環(huán)氧樹脂），利用高溫膨脹為泡沫層后的特性進行隔熱。

另外當發(fā)生熱失控時電芯內部會發(fā)生大量的短路現象，導致電壓急劇下降，我們可以通過電壓采集來向用戶告知該現象，此外還可以通過溫度的上升速率、電池包內氣壓的急劇變化、煙霧傳感器等來感知該現象，從而作為乘員逃生的報警信息。

四、總結

目前行業(yè)大致已經摸清了熱失控的發(fā)生機制，未來的研究更多集中在電池本體安全，熱管理，熱失控中早期的預測預警，晚期的通知和傳遞阻礙等方面。相信隨著行業(yè)專家不斷的求索探究，電池的熱失控問題會在不久的將來得到較為周全的解決方案，屆時，人們可以更放心無憂地駕駛電動汽車，安心地大規(guī)模使用儲能產品，從而享受清潔能源帶來的全新生活方式。

審核編輯 ：李倩