吳育欣、葉勝發、孫秀慧 / 工研院材化所
為提升鋰電池應用安全，在電性、機械性、環境等基本產品安規測試以外，如何有效防止電池內部熱失控擴散的防延燒議題備受關注。本文介紹如何結合材料科技與結構設計來達成電池系統延燒試驗的安全要求。
【內文精選】
鋰電池防延燒關鍵在於熱管理
有別於市面上大多以防火材料在電池模組內構築防火牆，或使用冷卻液、相變化材料等吸收熱能，工研院防延燒技術從電池的熱量擴散操作、熱傳導路徑設計兩大面向著手，結合以下材料技術與結構設計，從而建構出全方位的鋰電池防延燒技術。
1. 防火隔熱層
有別於傳統的防火耐燃材料，工研院以特殊的隔熱材料，依電池樣式製作防火隔熱層，作為防延燒設計的主要防護結構。防火隔熱層可讓電池在正常操作範圍下，維持良好散熱功能；當電池異常升溫時，則能抑制熱量擴散發揮防火及阻絕效果。防火隔熱層的應用係依據電池模組結構及需求，從一個電芯到多個電芯組成，區劃出數量不等的防火保護區域，如同森林防火巷的功能，將電池熱失控的熱量控制於特定範圍，避免熱失控災情擴大。
鋰電池防延燒功能驗證
為驗證防延燒技術之有效性，以60 Ah鋰三元方型電芯組成之7S1P模組為例進行延燒試驗。試驗前，首先由數值計算模擬方法進行電池組結構設計，其次利用熱模擬分析找出熱路徑並擬定防延燒材料的設置方案。接著在防延燒電池模組結構的細部設計中，將7S1P模組細切為3S1P之單元模組後，搜尋其熱路徑如圖二。再以數值模擬方法分析其結構設計能否達到不擴散至相鄰電芯的防延燒目的。最後，經過3S1P單元模組的模擬及樣品測試，確定設計方案可達成防延燒目的後，再製作7S1P全模組的樣品A及樣品B進行實測驗證。試驗方法依據2017年版的IEC62619第7.3.3節電池系統之延燒試驗規定執行，選擇模組中心位置之電芯作為觸發電芯(Trigger Cell)，溫度點代號為T4，採用針刺方式引發熱失控。
圖二、3S1P單元模組內熱路徑模擬
樣品A測試結果如圖五所示。電池組入針後開路電壓(OCV)由28.98 V下降至24.84 V，共減少4.14 V，加上觸發電芯外殼溫度T4由室溫22˚C快速升溫超過268˚C，由此證明觸發電芯已達到熱失控狀態。左右兩側鄰近電芯受熱失控的熱傳導影響隨之升溫，經8分鐘左右即開始降溫。至電芯熱失控後1小時觀察期間結束為止，觸發電芯左右兩側相鄰電芯最高溫分別是T3的125.9˚C及T5的123.2˚C，與電芯隔離膜150˚C左右的耐受溫度臨界點仍有一段距離。此外於觸發電芯熱失控發生初期，受熱失控高溫氣體流動干擾，T6溫度感測線亦出現265.7˚C的瞬間高溫，但隨即快速降溫，並未明顯影響電芯自身的溫度。由前述結果可知，樣品A的防延燒結果符合預期，觸發電芯以外的6個電芯未有熱失控情況發生。
圖五、延燒試驗溫度曲線圖–樣品A
鋰電池防延燒技術實施流程
工研院的鋰電池防延燒技術不僅是材料應用，還包含數值運算與結構設計在內，設計方案根據電池材料、形式及模組結構等差異而有所不同。必須先了解包含熱失控在內的電芯特性，再藉由熱模擬運算技術搭配防延燒材料應用，量身打造電池模組的熱擴散模型，最後經過延燒測試實證找出適宜的防延燒結構設計。
步驟一、電芯熱失控測試與數據蒐集：依電芯之材料特性、種類、模組結構及試驗規範需求等，找出電池適合的熱失控方法，可能是加熱、針刺、過充電，或前述方法的複合運用。熱失控測試之目的在於不影響鄰近電池且不妨礙防延燒保護功能的前提下，迅速有效地引發電池的熱失控反應。此階段同時也蒐集電池熱失控時的物理反應、溫度變化及延續時間等數據，作為後續防延燒設計的重要參數來源。
步驟二、電芯熱發展模式分析與熱控制計算：將前項電芯熱失控測試結果取得之重要參數，與電池結構進行電芯熱發展與平衡的模擬分析與評估，藉此計算出防火隔熱層所需的結構、尺寸與形狀。此階段將依實際需求，建構如3S1P或3S2P等多串並聯的單元模組熱擴散模型，搜尋單元模組內的熱路徑並設定防延燒材料的類型與設置方案。
步驟三、防火隔熱層設計製作與修正：依前項模擬計算結果及電池製造商提供之模組結構、材料、尺寸等規格資訊，設計防火隔熱層並依步驟二結果製作防延燒功能初步驗證用樣品---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》435期，更多資料請見下方附檔。