作者:温才妃 杨芳 来源:中国科学报 发布时间:2023/8/30 11:41:46
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给易燃的锂电池穿上安全“隔热服”

 

据多家媒体报道,日前,一辆城际公交车行驶在104国道南京段,突然间车辆起火,造成2死5伤。后经调查,公交车起火是由于一名乘客将锂电池电瓶放入背包中,司机并未发现,锂电池电瓶发生自燃。

锂电池引起火灾已经多次被报道,安全隐患就在我们身边。锂电池的自燃风险如何产生?是否有改进方案,使其自燃风险大大降低?

锂电池为什么容易自燃

“当锂电池的内部温度达到70℃左右时,负极的固态电解质膜开始分解,发生自放热反应,随着温度进一步升高,多个副反应相互影响,于是电池产生鼓包、膨胀直至热失控。”南京工业大学材料科学与工程学院教授杨晖向《中国科学报》介绍了锂电池发热原理。

由锂电池自放热反应导致的电池热失控,已成为制约锂电池进一步发展应用的瓶颈。2022年9月29日,成都某小区新能源汽车在充电过程中发生爆炸,致两人受伤。2023年6月6日,杭州一辆新能源车碰撞收费站设施后迅速起火,造成4人死亡。

然而,目前正在开发的高安全、高能量密度的半固态、全固态锂电池,因存在生产环境要求严苛、生产过程烦琐复杂、良品率低、价格昂贵等问题,迟迟不能量产。

“目前商用能量密度较高的高镍三元锂电池,其热失控伴随着剧烈的喷射、燃烧等现象,最高温度达1200℃,并释放出有毒有害气体。”杨晖告诉《中国科学报》。

电瓶是由多块电池排列组合而成,当单块电池发生热失控后热量便会传递至周围电池,引发热失控蔓延。“当然,电瓶中的电池若均一性较差,存在压差,导致个别电池存在过充、过放等现象,本征安全性也会较差。”杨晖说。

他补充说,若老旧电瓶内部线路排布出现老化、松动,再在运输过程中出现颠簸,也会导致线路短路、电池异常放热,发生热失控。这辆城际公交车的事故发生在中午,气温较高,电瓶可能受到了阳光照射,导致局部过热,由于电瓶的散热性能很差,内部热量堆积引起热失控。

防范锂电池爆炸的四种方法

为了控制锂电池爆炸带来的风险,按照规定,额定能量超过160Wh的充电宝不能携带上飞机。高铁出行时携带充电宝需满足标志清晰可见且单块额定能量不超过100Wh的要求。乘客乘坐客运班车时所携带的充电宝、锂电池数量不得超过5块、单块额定容量不得超过20000mAh。

“除了适时检测挑出鼓包等异常电池,确保电池运输过程环境安全外,防止热失控最关键。”南京工业大学材料科学与工程学院博士生汤进介绍道,国标《电动汽车用动力蓄电池安全要求》已明确规定在电池包中设置电池监测及早期预警系统。

“利用电池管理系统监测电池的电压、电流、温度等情况,一旦发现某一电芯出现异常,应立即断开该电池与系统的连接并进行报警。”汤进说。

据汤进介绍,当下防范锂电池爆炸主要有电池冷却系统、细水雾热失控防护、泄压抑爆系统和电池隔热系统四种方法。

电池冷却系统通过风冷、液冷、直冷等热管理调节电池组温度,避免电池过热,或在电池发生热失控时为系统迅速降温,延缓热失控蔓延。

细水雾热失控防护是在电池包中设置灭火装置,在发生电池火灾时通过喷射七氟丙烷和全氟己酮灭火剂,抑制锂离子电池热失控前期的火势蔓延。

泄压抑爆系统是在电池发生热失控时主动排风,利用惰性气体控制预制舱内可燃气体浓度、降低可燃气体极限氧浓度,以防止爆炸发生。

锂电池一旦发生热失控,从冒烟到爆炸仅需56秒。如何迅速阻断某一个电芯热失控时的热传递?南京工业大学材料学院博士生吴新远说,在电池/模组间使用电池隔热片,抑制热量向周围电池传递,延缓热失控蔓延,力求哪怕“城门”失火也不会殃及“池鱼”。“电池隔热系统能有效阻断热失控,因而更受市场欢迎。”

气凝胶毡成为隔热“明星”

较之其他隔热材料,气凝胶毡凭借更低的导热系数、更好的耐高温性能脱颖而出,成为目前主流电池隔热片“新宠”。此外,南京工业大学材料科学与工程学院教授沈晓冬告诉《中国科学报》,复合相变材料可以吸收电池热失控散发的热量,对延缓热失控蔓延也具有显著效果。

汤进由杨晖和沈晓冬共同指导,他的博士课题便是关于利用气凝胶改善锂电池系统安全性的研究。

他表示,能量密度高的高镍三元锂电池目前在高端电动车中应用逐渐增加。但高镍三元安全性差,在热失控时其最高温度能超过1000℃。气凝胶是阻断电池热蔓延隔热材料中的一种,但普通的硅基气凝胶一般只能隔断600℃左右的温度,不适用于高镍三元锂电池。

沈晓冬团队研发并量产的耐1200℃高温的氧化硅气凝胶材料已成功应用于锂离子动力电池芯组间的隔热。“该材料为芯组构筑了一道高性能‘防火墙’,很好地阻断了热失控过程中的热蔓延,相当于给锂电池穿上安全‘隔热服’,也为人民生命安全穿上‘防护服’。” 沈晓冬说。

“气凝胶纳米级网状骨构孔洞中超99%的空隙由空气填充。”沈晓冬介绍道,空气是热的不良导体,而气凝胶中的空气被网格绊住了“脚”无法流动,因此导热性较之空气更低,成为隔热“明星”。

今年5月,沈晓冬团队研发的耐1200℃的新型气凝胶毡产品问世,并在江苏珈云新材料有限公司完成A轮融资,实现了高性能氧化硅气凝胶系列产品量产。

汤进表示,如果这起事故的电瓶中使用了气凝胶毡隔热材料,单块电池发生热失控时所释放的有限能量就会被阻断,不会迅速热蔓延至相邻电池引发爆燃,有望给予乘客充足的时间逃生。该火灾甚至有可能在早期被扑灭,而不会引起电动公交车自燃、导致重大的人身安全和财产事故。他们特别期待,自己研发的新技术能早日在生活中发挥强有力的保护作用。

 
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