2022年动力电池无热蔓延技术专题分析 三类无热蔓延技术方案，新能源车安全问题有望大幅改善

一、电动车起火事件频发影响行业健康发展

（一）新能源车安全问题频上头条，引发公众关注

公众人物车祸事件引发消费者对新能源车安全问题的关注。7 月 22 日中国台湾省桃园市 著名歌手林志颖驾驶特斯拉发生自撞意外，所幸附近几名工人合力将驾驶员救出，救出 5 秒后，车辆开始发生大火燃烧。起火事故频发，自媒体锂猫实验室做了一组有关今年以来的新能源车起火的统计数据， 2022 年 1 月 10 日-7 月 22 日，共发生了 47 起经媒体报道过的新能源车自燃事件。众多 知名车企榜上有名。

（二）新国标增加逃生时间要求，无热蔓延成为行业共识

新国标增加逃生 5 分钟要求，保障司乘安全。新国标 GB 18384-2020《电动汽车用动力 蓄电池安全要求》已于 2021 年 1 月 1 日起开始实施，新国标中增加了电池系统热扩散试 验，要求电池单体发生热失控后，电池系统在 5 分钟内不起火不爆炸，为乘员预留安全 逃生时间。 逃生 5 分钟是底线，针刺实验成为普遍评估标准。热失控的定义是电池发生不可控的剧 烈放热反应，由热失控发其他电池热失控称之为热扩散或者热蔓延。刀片电池发布会上 的针刺实验视频深深刺激了公众神经，众多车企开始密集发布无热蔓延电池技术方案。

二、无热蔓延技术思路解析

（一）电池热失控的诱因及机理分析：热力电滥用导致产热显著大于散热，持续升温最终引发热失控

锂离子电池的滥用可分为三类：机械滥用（包括挤压、针刺和碰撞等）、电滥用（内部短 路、过放电和过充等）和热滥用（过热等）；三种滥用形式可能导致热失控的共同环节： 内部短路，最终由于电极活性物质之间的相互作用而导致热失控。当电池失控时，其他 可燃气体产品和电解液蒸汽和阳极产生的氧气在高温下与空气混合，当电池失控形成火 灾三角形，即燃烧或爆炸。

电池升温过程中材料逐步发生反应进一步推高电池温度。从微观角度分析 LiCoO2/石墨 电池的热失控过程. 1) 69℃：负极表面的 SEI 膜开始分解，负极材料与电解液之间的副反应加剧。 2) 100℃：负极材料与有机溶剂之间的副反应加剧。 3) 130℃：隔膜逐步熔化导致电池短路。 4) 200℃：正负极开始发生剧烈分解反应，电解液发生剧烈的氧化反应，释放出大量的 热，出现高温和大量气体，电池发生燃烧爆炸。

从电芯外部分析，锂离子电池热失控产物喷射是一种复杂的多相的瞬态射流。欧阳明高 院士通过高速摄像机对电芯热失控过程进行实物拍摄，电芯在经历长达 50min 的加热后， 内部压力逐渐聚集，达到泄压阀开启压力（0.5Mpa），泄压阀被瞬间（0.4ms）冲破，高 速气流产生的剪切力携带液态电解液喷射而出并雾化，在安全释放阀开启后，电池由闭 口系统转变为开口系统，此时电池温度远高于电解液沸点，因此在电解液喷射的过程中 内部电解液迅速蒸发，形成新一轮的喷射，此时为雾状喷射产物的喷出，当电解液消耗 殆尽时，第 1 次喷发过程衰减，随着电池内部产气反应维持射流状态，此时可以观察到 气体、液体混合喷射的特征。

（二）电池系统热失控安全等级分级，铁锂接近本征安全

欧阳明高院士将动力电池系统热失控安全分为三类：本征安全、主动安全、被动安全。 1) 本征安全：从单体电池的热失控机理着手，从材料层设计和制造的角度加以解决。 2) 主动安全：充分利用电池系统智能管理与充电系统，主动发现、主动防护 3) 被动安全：单体电池热失控之后，用系统热管理的办法，也就是隔热和散热的办法， 让电池包不燃烧。

电池安全可分为多个层级：材料、电芯、模组、电池系统、整车系统。在任何一个层级 阻隔热失控，即可以实现“无热蔓延”。不同企业选择的路径有所差异，但殊途同归，比 亚迪选择的是使用高热稳定性的材料，即三元材料切换为铁锂材料；上汽、宁德时代等 选择的是电池包过针刺试验。材料级的安全是本征安全，系统级防护是材料安全性能不 足的条件下的被迫选择。

铁锂材料的安全性能优异。根据不同锂电材料高温状态产热量对比曲线分析，磷酸铁锂 高温产热峰不明显，峰值产热功率仅 1W 左右，高温或高压下，三元易析氧加剧燃烧， 峰值产热功速率约 80W/min，容易触发爆炸式燃烧 (秒级)， 系统难以反应控制，总产 热量方面，磷酸铁锂显著低于三元、锰酸锂等材料（产热功率曲线与横轴的面积代表总 产热量）。 铁锂电芯接近实现本征安全。铁锂电芯虽然可以通过针刺实验，但也仅能代表电池自燃 的概率低、起火逃生窗口时间长。铁锂材料的安全性能优异，但是在电池成组后存在高 压击穿、电解液可燃等风险。比亚迪刀片电池发布会使得针刺成为“网红实验”，刀片电 池可通过针刺实验，但依然发生了着火事件，也侧面证实了铁锂电芯并非完全实现了本 征安全。

三、三类无热蔓延技术方案：新能源车安全问题有望大幅改善

（一）无热蔓延设计要点

热失控防护的主要设计包括：热、冲击、气体、电压、液体和固体等。无热蔓延设计对 材料、结构、零部件等都会提出更高的要求。热：主要是电芯间的热量阻隔及电芯开阀后对其他零部件（主要是电池包上盖）的 高温炙烤，对应解决方案是电芯间热管理材料，电池包上盖换成抗高温的材料或者 新增隔热材料； 冲击：电芯开阀后气、液、固混合物高温高速冲击，主要是电池包上盖的结构强度 设计能够承受电芯开阀时刻的冲击力。气体：电池包内部形成高压，设计应该考虑良好的烟道、泄压阀，否则内部压力过 大会造成结构件撕裂。电压：电池包内部所有高压零件应考虑是否会被高温高压的气体等腐蚀或造成短路。液体和固体：主要是避免短路风险以及堵塞泄压阀的风险。

（二）第一类：被动防护，疏堵结合，麒麟电池为典型设计

第一代热失控防护还是以被动防护为主，典型代表为麒麟电池。通过疏堵结合（加强散 热、隔热能力）为主要技术手段，实现电池包内仅少量电芯热失控，整包外无明火。 1、冲击及气体：倒置电芯避免高温气体侵入乘客舱。麒麟电池采用导致电芯的方案，泄压阀朝下。在电芯发生风险时，泄压阀喷出的高温火 焰可达 1300℃，常规设计泄压阀朝上，为了避免火焰侵入乘客舱，必须在电芯及乘客舱 之间设计防火层，增加了设计难点、成本，降低了能量密度。麒麟电池泄压阀朝下，火 焰朝下喷发，不会威胁到乘客舱，同时电池下托盘的结构强度显著高于电池上盖，能够 有效抗击高温气体冲击，倒置电芯的安全性能显著提升。

麒麟电池底部设置排气通道，通过排气通道及时排出高温气体。麒麟电池创新性的将结 构防护、高压连接、热失控排气等功能模块进行智能分布，在保证了高度方向空间利用 率的同时，进一步提升了电池安全性能。

2、热：首创大面液冷板方案，可实现急速降温。为了防止单个电芯热失控后引燃其他电芯，必须在电芯中间增加防火措施。常规设计是 在电芯中间加入气凝胶等隔热材料，增加成本的同时降低了体积利用率。麒麟电池创新 性的采用大面冷却的技术，在电芯发生热失控的同时，通过液冷板的冷却液流动，及时 将热量排出，使得失效电芯的周边电芯温度保持在安全范围内，从而实现无热蔓延。

3、电压、液体及固体：麒麟电池的设计难点。倒置电芯方案不利于高压防护。麒麟电池将结构防护、高压连接、热失控排气等功能集 成为底部三合一模块，如果发生冷却液泄漏，极易造成高压短路防线，此外底部磕碰的 保护也是难点。

（三）第二类：主动防护，定向喷淋系统精准灭火；数据挖掘、提早发现隐患电池

主动式喷淋系统，实现精准灭火。根据宁德时代的专利显示，在电芯的泄压阀正上方布 置液冷系统，当电芯发生热失控时，从泄压阀处喷发的高温气体能够融化液冷管路，冷 却液利用自身重力实现精准灭火。

基于车联网数据能够提升热失控预警能力，实现实时动力电池故障诊断和安全预警。动 力电池基于监控平台大数据的动力电池安全预警、电池热失控扩散防护等新技术，对其 安全性具有重要意义。通过大数据分析，实现机理&数据双驱动的故障诊断与安全预警。 对时间、电流、电压、温度等基础数据的采集，分析既有发生故障案例，追溯故障源头， 提前发现车辆故障，保障用户生命安全，并通过将故障日志给到动力电池研发部门，也 可以为车辆本身提供改进方向，有助于规范产品安全性设计。

（四）第三类：本征安全，实现材料超高热稳定性

1、磷酸锰铁锂材料与三元材料混用，电芯可过针刺。磷酸锰铁锂与磷酸铁锂同为稳定的橄榄石结构，是磷酸铁锂的升级。磷酸锰铁锂简称 LMFP（LiMnxFe1-xPO4），可以理解为磷酸铁锂（LFP， LiFePO4 ）将部分铁替换成锰，原有的 FeO6 八面体结构中的一部分变成了 MnO6，其稳定的橄榄石结构不发生改变。

磷酸锰铁锂的电压平台与三元材料基本相同，高于磷酸铁锂材料。锰的加入使得正极材 料在克容量不变的情况下电压升高，从而使得能量密度（能量密度=电压平台 x 容量密 度）提升 10-20%，应用意义在于保持铁锂成本、安全优势的前提下对电池性能进一步提 升。磷酸锰铁锂与三元材料混用能够大幅提升三元材料的热稳定性。磷酸锰铁锂的热稳定性 与磷酸铁锂基本一致，且磷酸锰铁锂材料的粒径远小于三元材料，在混合后能够有效包 裹三元材料，提升三元材料的热稳定性。磷酸锰铁锂与三元混合电芯可过针刺实验。根据天津斯科兰德的实验数据，在用 80%NMC +20%LMFP 的混合材料，制备成的 14500 圆柱电池做针刺测试，电池不燃烧、 不爆炸、温度在 70℃以下，安全性良好。

2、复合集流体材料，大幅改善安全性，处于量产前夕。电解铜箔存在容量降低、电池热失控等安全隐患。在锂电池行业中，目前主流采用的负 极集流体为厚度 6-9um 左右的纯铜电解铜箔。电池充放电使用过程中，负极材料体积也随之变化，作为负极集流体的铜箔也会不断拉伸收缩，负极材料可能脱落引起容量降低， 性能下降，电阻增加，产热增加等安全隐患。另外电池由于枝晶生长、外力等原因受损 引起热失控后，存在电池爆燃的安全风险。

复合集流体的作用与保险相似，针刺后针刺位点迅速断开，从而保证了电池的安全。PET 复合铝膜和铜箔是传统锂电池集流体（铝箔和铜箔）的良好替代材料。其中复合铝箔是 传统铝箔厚度的 1/2，且重量更轻；复合铜箔是传统铜箔厚度的 3/4，同样重量更轻。对 锂电池能量密度提升，安全性提升，成本降低具有重要的意义，市场前景广阔。并且该 技术具备较大的普适性，复合铜箔、铝箔等其他复合膜材料也能使用该技术。

复合铜箔具备 4 大优点：高安全：复合铜箔中间的塑料隔膜层可以大大提高电池的燃烧安全性。高比容：同等情况下，铜的用量只有原来的 1/3~1/5，部分铜替换成塑料，带来电池 重量的减轻，从而增加电池的能量密度；长寿命：减少金属收缩引起的活性物质脱落，能提升电池循环寿命；强兼容：适用于锂电池的环境。

复合集流体还处于量产的前夜。目前也面临如下的问题：箔材穿孔：金属在磁控和蒸镀到 PET 材料过程中因为有高温的金属熔融物，可能飞 溅熔穿箔材形成通孔。存在产能瓶颈：由于磁控和蒸镀的节拍限制，目前复合箔的单位设备效率不及传统 箔材，这在产品放量的过程中会存在明显瓶颈。电池内阻增大，电池的输出功率受影响。相比于金属箔，复合箔的 PET 和金属存在 较大的接触电阻，同时由于阻燃剂等介质的引入，电池的电阻会有所增加。 电池制造需新增工序。因为 PET 材料的引入，常规的电池生产工艺无法直接平移。 在极片制作过程中，需要至少增加一个转接焊工序，用来制造极片的极耳，电池的 制造成本会增加。

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