電芯是指單個含有正、負極的電化學電芯,一般不直接使用。區別于電池含有保護電路和外殼,可以直接使用。

目前主流的鋰電池電芯封裝分為圓柱電芯、方形電芯(又叫鋁殼電芯)、軟包電芯(又稱聚合物電芯)三種,它們的結構示意圖見圖1。在電池包設計中,單體電芯有序排列組成模組。

一、電芯間散熱和隔熱的必要性及區別

單體電芯由于其自身有一定的內阻,在輸出電能的同時會產生一定的熱量,使得自身溫度變高,當自身溫度超出其正常工作溫度范圍間時會影響電池的性能和壽命。電芯的最高溫度超過60℃時就潛在發生因過熱導致的電芯安全性問題,20~45℃是鋰電池電芯的理想工作溫度區間。可以說,電池包所有的電芯中,最熱的電芯決定了整個電池包的安全,最冷的電芯決定了整個電池包的性能,一個電芯內和電池包內電芯間的最大溫差決定了整個電池包的壽命。為了提高電池包的安全性和長期使用性能,電池包中的熱管理系統必須保證電池包內任一個電芯的溫度都不應超過許可的最高工作溫度,同時電池包內所有的電芯間的最大溫差及每個電芯的最大溫差都不大于5℃。因此,為了確保電芯間的溫度滿足上述要求,電芯間必須有良好的散熱裝置。電芯間的散熱通常是通過散熱片上中的冷卻液實現的。

電池包中電池能量儲存部分與能量轉化部分存在于同一空間,在過充電、針刺、碰撞情況下易引起連鎖放熱反應,造成冒煙、失火甚至爆炸等熱失控事故。熱失控是動力電池最嚴重的安全事故,直接威脅用戶的生命安全。近年來,針對電池包的熱失控傳播問題主要通過熱防護技術解決。除了在電池單體之間,電池模組之間以及電池箱與乘客艙之間也需要設置熱防護,以提高熱失控電芯向電池其他系統傳熱的熱阻,從而達到阻礙熱失控蔓延的目的。目前動力電池系統熱失控的研究,主要側重于由單體電芯熱失控觸發繼而傳播到整個電池包的熱失控安全問題方面。這是因為當某單體電芯觸發熱失控時,會產熱量驟增,散熱量遠小于產熱量,導致熱量向周圍電芯傳遞,會迅速引發周邊電池大規模熱失控,形成安全隱患。或者說,單體電芯的熱失控是整個電池包熱失控的源頭,因此,我們主要討論電芯間的熱防護。電芯間的熱防護是在電芯間增加隔熱層,以阻斷熱失控從失控單體電芯向周圍電芯傳播,降低電池包的損害以及附帶的破壞作用。

二、電芯間隔熱設計

2.1電芯間隔熱方式設計

對于電芯間的散熱問題,一些專利中提出了不同的設計方案。

Tesla公司在其公布的專利中,專利US7820319B2設計了一種電池單體間的熱屏障。在電芯的外殼或外殼雙層或內殼等涂抹一層或多層絕緣膨脹材料,這種材料可以吸收熱量膨脹或變成焦炭狀,用于阻止熱的擴散。可選用的膨脹材料有:石墨系膨脹型材料、熱塑性彈性體、陶瓷基泡沸材料、蛭石/礦物纖維基泡沸材料、多磷酸銨基泡沸材料。

Zee.Aero公司在專利US8993145B2提出了一種熱防護措施,通過在方形電池單體之間設置隔熱層,阻斷失控單體向臨近單體傳熱,同時,隔熱層不完全封閉,單體之間留有對流通道,有利于失控單體產生的熱量在整個電池包內散熱,避免局部過熱。

上述專利雖然通過熱隔層達到了熱失控的阻隔目的,但由于隔離層的添加容易導致電芯間散熱性能降低,一般的冷卻系統很難滿足散熱的需求。

文獻(AppliedThermalEngineering,2016,106:131-140)提出了一種結合熱防護和散熱的復合板熱管理系統,復合板由相變材料和隔熱板組成,分析了正常工況下電池組的散熱性能,同時以10℃工況為例,分析了復合板散熱與隔熱性能。不足的是,為了達到散熱效果,復合板的厚度為10mm,同時相變材料吸收的熱量不易釋放,影響冷卻效果。

為了解決上述缺陷,有些研究將隔熱板和熱管組錯落安置于電芯單體間,結果證明,這種方案不僅大大增強了電池組的散熱能力和單體電芯間溫度的均勻性,而且還可有效阻斷熱失控傳播。通用汽車的Volt電池管理系統就是在上述模型的基礎上改良,在電池包的設計中,Volt單體電芯間設置金屬散熱片(厚度為1mm)作為熱管組,并在散熱片上留有毛細管結構,以便冷卻液能夠在毛細管內流動進而帶走熱量,實現散熱的目的;隔熱方案則采用了在電芯與電芯之間放置泡棉的方式。

2.2電芯間隔熱材料選擇

單體電芯間的隔熱材料,作為一種能夠有效延緩或阻斷單體電芯熱失控向整個電池系統的傳播的一種熱防護材料,必須具備以下幾種條件:

a.阻燃(達到V0等級)

b.耐老化,化學性質穩定;

c.不產生有毒氣體;

d.彈性好,導熱系數低,防水防潮防振動;

e.質輕價低厚度薄

目前常采用的隔熱材料有泡沫塑料、超細玻璃棉、高硅氧棉、真空隔熱板、氣凝膠等。

結合上述隔熱材料的選擇條件,及常用隔熱材料的優缺點,具有阻燃性能的、特定材質的、柔軟的泡沫材料(即泡棉)完全符合上述要求,這是因為:

a.泡棉具有低硬度高回彈性質,能夠吸收電池鼓脹應力起到緩沖作用;

b.在電芯發送熱失控時,泡棉能起隔熱作用,抑制熱擴散,延緩事故發生;

c.在電芯發生起火時,泡棉的阻燃效果能夠延緩火勢蔓延,增加逃生時間;

d.泡棉具有極好的回彈性,壓縮比例較寬,可作為定位。

由于鋰離子電池的使用壽命為5~8年,因此在選擇單體電芯間的隔熱材料時,其使用時間必須大于電池的使用壽命,因此我們可以選擇泡沫硅橡膠作為單體電芯間的隔熱材料。

2.3泡沫硅橡膠

泡沫硅橡膠是硅橡膠經過發泡后制成的一種柔性、多孔高分子彈性材料,是將硅橡膠與泡沫材料的特性結合于一體的新型高分子材料。泡沫硅橡膠材料具有良好的熱穩定性、絕緣性、隔熱性、抗震性和耐高溫沖擊等性能,尤其是在高頻下的抗震性好,耐老化性好,壽命>10年,可作為夾層的填充材料。

東莞市廣邁電子科技有限公司生產的TS系列泡沫硅橡膠采用液體發泡技術,導熱系數為0.09~0.14W/(m·K),具有優異的回彈性能和長期工作的穩定性,長期反復壓縮反彈力保持良好,是單體電芯間隔熱襯墊的理想選擇,具體性能參數見表3。泡沫硅橡膠作為電芯間填充材料,其柔軟性可吸收電芯的熱脹冷縮;其反復壓縮反彈力可為電芯提供長久的彈性支撐;其較低的導熱系數可阻止熱失控向周圍電芯的蔓延。同時,這種材料滿足UL94V-0和HF-1的防火等級,在電芯失控失火時,可以延緩火勢的蔓延。

電芯間隔熱方式和材料的設計和選擇,對于防止單體電芯熱失控,提高電池包的安全性具有重要作用。目前新材料的開發及應用,如相變材料(PCM)通過相變吸收熱量而保持溫度不變,增加了電芯隔熱材料選擇。隔熱材料的選擇需要平衡安全性和成本投入,具體的應用方案需要通過仿真結果來評估。