前不久，電動汽車鋰離子電池強(qiáng)制性新國標(biāo)的修改和討論已基本完成，即將進(jìn)入審查階段，預(yù)計會在明年公布。值得注意的是，新國標(biāo)中取消了難度較高且發(fā)生概率較小的單體電芯針刺測試，但卻新增了鋰離子電池包或系統(tǒng)熱擴(kuò)散測試。新國標(biāo)中規(guī)定，在電池包發(fā)生熱失控時，汽車需供應(yīng)預(yù)警信號，預(yù)留至少5分鐘的逃生時間。

近期，電池起火和爆炸事件層出不窮，作為電動汽車的明星公司，特斯拉更是被曝一周三起事故。說起電池?zé)崾Э兀m然一些常規(guī)的安全性措施可以在一定程度上改善電池的使用安全性，但是并不能從根本上解決因熱失控而引發(fā)的電池安全性問題。例如，廣泛使用的聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯（PP/PE/PP）三層復(fù)合隔膜雖然具有熱封閉功能，但決定其閉孔溫度的PE層熔點（約135℃）與PP層熔點（約165℃）之間僅相差約30℃，在隔膜發(fā)生封閉之后，熱慣性用途極易使電池溫度上升至PP的熔化溫度，導(dǎo)致隔膜熔化，引起更為嚴(yán)重的電池內(nèi)短路。電池殼體上的安全閥雖然能在緊急情況下泄放電池內(nèi)壓、防止電池爆炸，但往往不能阻止電池燃燒，因為氣體以超音速噴出時，與閥壁的摩擦升溫足以點燃低閃點的可燃性氣體組分。其他如PTC元件、熔斷器等外部限流裝置，僅對外部電路有效，對電池的內(nèi)短路無能為力。

特斯拉電動汽車著火場景

從電化學(xué)的角度來看，電極反應(yīng)必須涉及電子傳輸和離子傳輸。假如在電池內(nèi)部建立一種溫度感應(yīng)機(jī)制，當(dāng)電池溫度過高時，這種機(jī)制能夠及時響應(yīng)并有效切斷電子或離子傳輸，那么電池反應(yīng)就會被關(guān)閉，從而防止電池大幅度升溫，阻止其進(jìn)入自加熱的熱失控狀態(tài)。基于這一思路，國內(nèi)外研究者相繼提出了正溫度系數(shù)電極、熱響應(yīng)微球修飾隔膜、熱聚合添加劑等熱失控防范新技術(shù)。根據(jù)它們用途原理的不同，大致可分為兩大類：離子傳輸切斷和電子傳輸切斷。

1離子傳輸熱切斷技術(shù)

離子傳輸切斷是利用材料的熱相變行為，通過在給定溫度下聚合物的熔化封閉隔膜和電極微孔，或通過單體、寡聚物的熱聚合固化電解液，從而切斷離子傳輸，關(guān)閉電極反應(yīng)的一種過熱保護(hù)技術(shù)。根據(jù)其用途原理的不同，可分為熱熔化封閉和熱聚合封閉。

熱熔化封閉是通過在隔膜或電極表面涂覆一層熱敏性微球，使電池具有熱關(guān)閉功能，其工作原理如下圖所示。常溫下，附著在隔膜或電極表面的熱敏性微球?qū)映识嗫捉Y(jié)構(gòu)，允許離子自由通過；一旦電池因短路、過充等濫用導(dǎo)致其溫度上升至微球熔化溫度時，微球?qū)影l(fā)生熔化、坍塌，在隔膜或電極表面形成致密的聚合物層，從而切斷電極兩極之間或電極上的離子傳輸，中斷電池反應(yīng)。

熱熔化封閉工作原理

熱聚合封閉是指采用熱聚合性質(zhì)的單體為電解液添加劑，或具有熱聚合性質(zhì)的寡聚物為電極材料的表面修飾層，利用單體或寡聚物的熱引發(fā)聚合，也可以實現(xiàn)離子傳輸?shù)臒彡P(guān)閉，其工作原理如下圖所示。正常工作溫度下，單體添加劑和寡聚物不影響Li+的正常傳輸；在要控制的溫度下，單體聚合使電解液固化，或寡聚物聚合成致密膜，阻擋Li+的傳輸，從而關(guān)閉電池反應(yīng)或大幅降低電極反應(yīng)的進(jìn)行速度。

熱聚合封閉工作原理

2電子傳輸熱切斷技術(shù)

電子傳輸熱切斷是利用正溫度系數(shù)（PTC）材料的電子電阻率隨溫度上升急劇增大的特點而發(fā)展起來的一種過熱保護(hù)方法。電子傳輸熱切斷目前有三種實現(xiàn)途徑：一是采用正溫度系數(shù)材料作為電極集流體的表面涂層，二是采用正溫度系數(shù)材料為電極活性涂層的導(dǎo)電劑；三是直接采用正溫度系數(shù)材料為電極活性顆粒的表面包覆層。上述3種方式構(gòu)成的電極，統(tǒng)稱為正溫度系數(shù)電極（即PTC電極）。當(dāng)電池處于危險的高溫狀態(tài)時，PTC材料可有效切斷電極集流體與活性涂層，或活性顆粒之間的電子傳輸，從而中斷電池反應(yīng)，防止熱失控。