為追求長續(xù)航里程，高能量密度動(dòng)力鋰離子電池得到了大力發(fā)展。然而，動(dòng)力鋰離子電池?zé)崾Э匾彩墙┠觌姵仄鸹稹⒈ǖ仁鹿暑l現(xiàn)報(bào)道的主要原因。因此，高能量密度鋰離子電池的熱失控問題是電動(dòng)汽車進(jìn)一步發(fā)展面臨的亟需解決的難題，尤其是如今電池容量技術(shù)尚未得到革命性的進(jìn)步，而各大廠家都在以續(xù)航作為賣點(diǎn)時(shí)，電池包的安全問題尤為值得注意。

6月29日，長城汽車在其科技節(jié)期間正式發(fā)布了“大禹電池”，可有效解決不同化學(xué)體系電芯發(fā)生熱失控之后的起火、爆炸問題。同時(shí)值得一提的是，長城汽車大禹電池將為全行業(yè)免費(fèi)開放專利。

01什么是大禹電池?

據(jù)長城汽車官方介紹，大禹電池采用三元811大容量高鎳電芯，通過數(shù)十項(xiàng)核心技術(shù)專利，8大全新設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)熱失控情況下實(shí)現(xiàn)不起火、不爆炸。采用多梯次換流系統(tǒng)、快速極冷抑制系統(tǒng)、多級(jí)定向排爆系統(tǒng)、滅火盒系統(tǒng)來從Pack層級(jí)保障電池安全。

02大禹電池結(jié)構(gòu)是如何?

大禹電池采用三元811大容量高鎳電芯，長城方面表示，“大禹電池”的核心優(yōu)勢在于“大容量高鎳電芯”、“電池包內(nèi)任意位置”、“單個(gè)或多個(gè)電芯觸發(fā)熱失控”的情況下均能實(shí)現(xiàn)不起火、不爆炸。采用多梯次換流系統(tǒng)、快速極冷抑制系統(tǒng)、多級(jí)定向排爆系統(tǒng)、滅火盒系統(tǒng)來從Pack層級(jí)保障電池安全。據(jù)悉，“大禹電池”計(jì)劃于2022年全面應(yīng)用于長城汽車旗下產(chǎn)品，同時(shí)面向下一代全新電動(dòng)車平臺(tái)，基于電池PACK與整車深度融合，將動(dòng)力電池安全提升到全新高度。

03大禹電池是如何做到熱失控不起火?

長城方面表示，“大禹電池”設(shè)計(jì)融入8項(xiàng)全新設(shè)計(jì)理念——“熱源隔斷、雙向換流、熱流分配、定向排爆、高溫絕緣、自動(dòng)滅火、正壓阻氧、智能冷卻”設(shè)計(jì)，并布局?jǐn)?shù)十項(xiàng)核心技術(shù)專利，主要覆蓋熱源抑制、隔離、冷卻、排出等領(lǐng)域。具體來看：

熱源隔斷

電芯間采用公司全新開發(fā)的雙層復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)既能隔離熱源，又耐火焰沖擊，有效解決了傳統(tǒng)氣凝膠不耐沖擊的痛點(diǎn)。

雙向換流

失控過程中會(huì)產(chǎn)生大量高溫、高壓氣火流，通過雙向換流可實(shí)現(xiàn)熱源在電池包內(nèi)安全流動(dòng)，減少熱源對(duì)相鄰模組熱沖擊，避免二次引燃。

熱流分配

通過燃燒模型、熱流體力學(xué)、沖擊強(qiáng)度和壓力計(jì)算等應(yīng)用研究，可實(shí)現(xiàn)氣火流在多種結(jié)構(gòu)通道內(nèi)的均勻分布。

定向排爆

結(jié)合電芯防爆閥位置，設(shè)計(jì)熱失控后氣火流路徑，并通過分流、導(dǎo)流，雙向換流將火源快速引導(dǎo)至滅火通道并安全排出。同時(shí)對(duì)高壓連接及高壓安全區(qū)域進(jìn)行高溫絕緣防護(hù)，消除高壓起弧危險(xiǎn)。

自動(dòng)滅火，正壓阻氧

在定向排爆出口設(shè)置多層不對(duì)稱蜂窩狀通道，可保持包內(nèi)壓力始終高于包外，避免因氧氣進(jìn)入導(dǎo)致二次燃燒。

智能冷卻

當(dāng)電池管理系統(tǒng)有效識(shí)別電芯已觸發(fā)熱失控，通過BMS和云端雙重監(jiān)控，整車可快速開啟冷卻系統(tǒng)并抑制電池?zé)釘U(kuò)散。

長城表示，在測試實(shí)驗(yàn)中采用了中心電芯的雙電芯加熱至熱失控，實(shí)驗(yàn)中最高溫度超過1000攝氏度，但全程仍無起火爆炸，并且排出的煙氣溫度也控制在100度左右。

04高鎳三元電池?zé)岱磻?yīng)機(jī)理

根據(jù)中國北方車輛研究所、北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心的研究表明，高能量密度鋰離子電池高鎳三元電池使用過程中易發(fā)生熱失控現(xiàn)象，存在不可忽視的安全隱患，其熱失控主要是 由正極材料及電解液的相關(guān)熱反應(yīng)造成的。

目前為止，關(guān)于高鎳三元材料作正極的全電池的熱失控機(jī)理尚未見報(bào)道，但可借鑒其他正極材料體系的電池?zé)崾Э貦C(jī)理研究。2003年，Spotnitz分析了鋰離子電池?zé)崾Э氐闹饕^程：在約100℃開始發(fā)生電極 -電解質(zhì)界面膜(SEI膜)的分解，150～200℃主要進(jìn)行電解液與碳負(fù)極的反應(yīng)，200～300℃正極材料分解并與電解液反應(yīng)，300℃電解液開始分解，隨后進(jìn)入不斷進(jìn)行鏈?zhǔn)椒艧岱磻?yīng)的熱失控過程。該研究表明，鋰離子電池的熱失控主要是由正極材料、電解液的熱反應(yīng)所引發(fā)。但該研究還存在正極材料/電解液熱反應(yīng)熱過程不明晰， 產(chǎn)熱、產(chǎn)氣無定量分析的問題。

高能量密度鋰離子電池正極材料的相轉(zhuǎn)變及氧釋放示意圖

高鎳三元材料的表面包覆可抑制電解液與正極材料的副反應(yīng)，抑制材料的相轉(zhuǎn)變，提升熱穩(wěn)定性，常見的表面包覆物主要有惰性氧化物和磷酸鹽等。電解質(zhì)界面穩(wěn)定性，改善了材料的熱穩(wěn)定性，從而提升其安全性能。

高鎳三元材料的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也可提高其熱穩(wěn)定性。高鎳材料常見的特殊結(jié)構(gòu)主要有核殼結(jié)構(gòu)和濃度梯度。

在熱穩(wěn)定性改善方面，研究者們大多單獨(dú)改善高鎳三元正極材料或電解液的熱穩(wěn)定性。然而，改善高能量密度鋰離子電池的安全性能，不應(yīng)僅從正極材料(高鎳三元材料)或電解液方面分別入手，還需考慮正極材料與電解液的匹配問題。因此，研究者一般通過正極材料和電解液的熱穩(wěn)定性改善和匹配研究，保證高能量密度鋰離子電池電性能的同時(shí)，提升其安全性能。

05多重保障

從上述實(shí)驗(yàn)得知，溫度對(duì)電池包內(nèi)部的影響是不能忽視的!為了減少重量及成本, 配件對(duì)材料減薄及實(shí)際保溫隔熱有持續(xù)的需求，然而這對(duì)于材料的可靠性甚至換熱性能都會(huì)帶來新的挑戰(zhàn)，未來也將通過保溫材料優(yōu)化解決。

德耐隆Telite®產(chǎn)品由二氧化硅及陶瓷纖維氈復(fù)合制備而成，產(chǎn)品內(nèi)部具有納米級(jí) 空隙可以減慢熱傳導(dǎo)，提供最低的熱傳導(dǎo)值,抗熱沖擊性優(yōu)異。該纖維氈能夠在壓縮70%后完全回彈，能夠承受自身重量的數(shù)千倍的重壓而不發(fā)生碎裂，過千次壓縮循環(huán)測試后仍具有很好的回彈性。更重要的是，這種納米氧化硅纖維氈能夠在1500℃丁烷火焰和液氮中保持良好的柔性，長期使用溫度為1200℃。高溫下穩(wěn)定性好，不脆裂。可作為高溫隔熱密封墊，阻隔熱短路，熔融金屬處密封墊,隔離(防燒結(jié))材料領(lǐng)域。

電池包保溫隔熱防水防火專用材料德耐隆Telite®的關(guān)鍵技術(shù)包括導(dǎo)熱、隔熱、保溫，低應(yīng)力緩釋技術(shù),新型阻燃技術(shù)技術(shù)，在協(xié)助電池進(jìn)行熱管理、降低溫差、實(shí)現(xiàn)熱平衡;撞擊、跌落、爆炸瞬間完成沖擊力緩釋;實(shí)現(xiàn)在高溫、過充、刺穿防爆中的阻燃隔熱效果等方面將取得決定性的作用。

德耐隆改性耐火隔熱氈材料能在各種電子設(shè)備和汽車應(yīng)用中脫穎而出，并且能應(yīng)對(duì)大容量動(dòng)力電池系統(tǒng)和其他部件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的挑戰(zhàn)，主要?dú)w功于以下特點(diǎn)：

•產(chǎn)品密度150kg/m³(GB/T5480-2008)

•長期服務(wù)溫度-200℃至1200℃ (GB/T17430-1998;ASTM C 447)

•壓縮強(qiáng)度(變形10%:≥67kPa;變形25%:≥250kPa)

•產(chǎn)品憎水率≥98%(GB/T10299-2011)

•導(dǎo)熱系數(shù)不高于0.02W/m.k(GB/T10295-2008;ASTMC 447)

•加熱線收縮率<2%@650℃(ASTM C 356)

•燃燒等級(jí)A級(jí)(GB 8624-2012)

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