隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，鋰離子電池已經(jīng)成為我們生活著不可缺少的部分，而電動(dòng)汽車(chē)的普及更是讓鋰離子電池與我們的出行安全緊密的聯(lián)系在一起，2016年5月全世界總計(jì)銷(xiāo)售250萬(wàn)輛插電式混合動(dòng)力汽車(chē)，而日產(chǎn)汽車(chē)在6月份共計(jì)銷(xiāo)售25萬(wàn)輛純電動(dòng)汽車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)越來(lái)越多的融入到我們的日常生活之中。
經(jīng)過(guò)多年技術(shù)的發(fā)展，鋰離子電池的安全性得到了極大的提升，但是熱失控仍然是困擾著鋰離子電池的嚴(yán)重安全問(wèn)題。特別是在電池組中，一旦發(fā)生熱失控，高溫會(huì)導(dǎo)致熱失控在電池組中蔓延，后果不堪設(shè)想。以特斯拉的Model S為例，其鋰離子電池組由7000多只18650電池組成，一旦熱失控在電池組內(nèi)蔓延，將造成災(zāi)難性的后果。
對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э馗杏|最深的恐怕要數(shù)波音公司了，在波音公司推出的787夢(mèng)想客機(jī)上，廣泛的采用了鋰離子電池作為儲(chǔ)能電源，用來(lái)在飛機(jī)引擎尚未啟動(dòng)時(shí)或停止工作時(shí)驅(qū)動(dòng)飛機(jī)上的機(jī)械和電子設(shè)備，但是連續(xù)的鋰離子電池安全事故，讓這架承載著未來(lái)夢(mèng)想的客機(jī)蒙上了一層陰影。
其中2013年1月，發(fā)生在美國(guó)波士頓的一架日本航空公司的787客機(jī)鋰離子電池起火事件，根據(jù)美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)的調(diào)查顯示，正是電池組中的一只由日本湯淺公司生產(chǎn)的75Ah方形電池發(fā)生熱失控后，高溫引發(fā)了相鄰電池的熱失控導(dǎo)致的，這次事件后波音公司要求在所有的電池組上都要增加防止熱失控?cái)U(kuò)散的措施。
對(duì)于電池組來(lái)說(shuō)，一只電池發(fā)生熱失控并不可怕，只要及時(shí)阻斷，就能夠保證整個(gè)電池組的安全，因此有必要在電池組的設(shè)計(jì)當(dāng)中引入適當(dāng)?shù)陌踩胧员苊鉄崾Э卦陔姵亟M內(nèi)部蔓延，引發(fā)更大的安全事故。
在鋰離子電池發(fā)生熱失控時(shí)，電池的溫度可以達(dá)到700攝氏度，大量的熱量通過(guò)對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射等方式傳導(dǎo)到周?chē)碾姵厣?，從而?dǎo)致熱失控在電池組內(nèi)部發(fā)生蔓延。
美國(guó)的Allcell Technology公司開(kāi)發(fā)了一款基于相變材料的鋰電池?zé)崾Э仡A(yù)防材料PCC，該材料的作用機(jī)理是在正常的情況下，鋰離子電池的熱量通過(guò)PCC材料快速傳導(dǎo)到電池組外，隨著鋰離子電池組的溫度進(jìn)一步升高，PCC材料中的石蠟成分將會(huì)發(fā)生融化，從而吸收多余的熱量，使鋰離子電池的溫度不再升高，從而阻止熱失控在鋰離子電池內(nèi)部蔓延。
傳統(tǒng)的鋰離子電池?zé)峁芾硪话闶峭ㄟ^(guò)空氣、液體或者被動(dòng)散熱的方式進(jìn)行，但是這些系統(tǒng)都各有優(yōu)缺點(diǎn)，液體冷卻雖然效果好，但是存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)行需要消耗電池組能量，強(qiáng)制風(fēng)冷散熱會(huì)在電池組內(nèi)部形成較大的溫度梯度，被動(dòng)散熱雖然在成本和重量上具有優(yōu)勢(shì)，但是散熱效果要遠(yuǎn)低于其他散熱方式。
采用相變復(fù)合材料PCC是一種可行的選擇，PCC采用石墨和蠟組成，當(dāng)鋰離子電池放電或者發(fā)生熱失控產(chǎn)熱時(shí)，PCC中的蠟會(huì)發(fā)生融化，從而將熱量吸收，避免溫度進(jìn)一步上升，PCC的熱導(dǎo)率達(dá)到20 W m -1 K -1，遠(yuǎn)高于空氣的0.024 W m -1 K -1，也比鋰離子電池的常規(guī)填充物2.5 W m -1 K -1要高，保證了良好的導(dǎo)熱率，能夠滿足鋰離子電池正常的散熱需求。
試驗(yàn)中的電池組采用了4并10串的結(jié)構(gòu)，單體電池采用了能量型2.85Ah的18650電池，通過(guò)針刺引發(fā)電池的熱失控反應(yīng)，觀察并記錄周邊電池的行為。PCC的添加量為0.33Kg，約為電池組重量的12.1%。
在不填充PCC的電池組中，被針刺的電池立刻發(fā)生了熱失控并泄漏，電池溫度達(dá)到400攝氏度以上，周?chē)噜彽碾姵販囟冗_(dá)到了149-189攝氏度，而稍遠(yuǎn)的電池溫度受影響較小。而通過(guò)在電池組中加入PCC材料，可以顯著降低電池的溫度，測(cè)試結(jié)果顯示發(fā)生熱控的電池溫度僅有179攝氏度，而周?chē)噜彽碾姵販囟葍H僅達(dá)到87-108攝氏度。
在更為嚴(yán)重的情況下，也就是一只電池在發(fā)生熱失控的情況下，匯流條沒(méi)有脫落，從而導(dǎo)致并聯(lián)的其他并聯(lián)電池通過(guò)熱失控電池發(fā)生短路，沒(méi)有PCC保護(hù)的對(duì)照組電池，發(fā)生熱失控電池的溫度很快達(dá)到了578攝氏度，與之相鄰的電池溫度也快速上升，也發(fā)生了熱失控，最終在這個(gè)電池組中有20只電池發(fā)生了熱失控。
而在電池組中加入PCC的實(shí)驗(yàn)組電池中，發(fā)生熱失控的電池最高溫度僅僅達(dá)到了218攝氏度，周?chē)噜彽碾姵刈罡邷囟葍H僅為98-111攝氏度，在整個(gè)過(guò)程中，電池組中的其他電池都沒(méi)有發(fā)生熱失控。
從上述的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，通過(guò)在電池組的電池之間加入PCC保護(hù)材料，可以快速的將電池在放電或者熱失控過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到電池組外，降低電池的溫度，并在電池組內(nèi)有電池發(fā)生熱失控的情況下，保護(hù)周?chē)噜彽碾姵兀蛊錅囟炔恢劣谏仙倪^(guò)高，從而避免熱失控在電池組內(nèi)蔓延，極大的提高了鋰離子電池組的安全性。
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