電池模組/儲能系統防爆防燃防延燒材料技術：材料世界網-專利推廣

■ 技術說明

鋰電池具有高額定電壓、高儲存能量密度、放電平穩與品質穩定等優點，其需求量日漸增加。在鋰電池應用普及之下，伴隨著電動載具大幅使用高容量電池所衍生的意外燃燒風險，逐步成為一重要的課題，目前市售的軟包型式的鋰電池均已導入高安全性的材料，可有效防止內部電流短路所引起的熱爆走反應。然而，對於圓筒型與方型的鋰電池而言，一旦受到外力衝擊、穿刺與輾壓時，將促使電池內部短路而產生劇熱，進而壓力遽增誘使開閥洩漏出可燃性的電解液，伴隨著電流短路產生的局部火花，逐步燃燒與加熱鄰近的電池組，開始一連串的延燒現象。

目前市面上的鋰電池保護盒的材質多為PP/PC、PC/ABS 與沖壓鋼板，其具有多種缺點，如缺乏有效的重量承載力( 或加重電池模組重量)、無法抵禦外來衝擊力、電解液滲漏與耐腐蝕性不佳等，造成電池盒可容納的電池組數量受限，影響鋰電池模組的總容量，僅能提供短程行駛的續航力，而阻礙電動載具的普及應用。市售的電池模組設計上缺乏完善的保護措施，一旦受到外力衝擊，便曝露在電池燃燒與爆炸的風險之中。一般鋰電池保護盒著重在密封性能與承載能力，但衍生出剛性強度不夠、抗震性差等問題。現有技術僅片面地改善鋰電池保護盒的缺點，無法全面性兼顧電動載具需要的安全性、承載力、續航力與耐腐蝕等訴求。

為開發輕量、電絕緣、耐衝擊、防穿刺與耐酸鹼腐蝕等特性的電池保護盒材料，工研院材化所開發一電池防延燒護材(Anti-burning Runaway Composite; ABRC)，除了質輕、剛強與防撞的複材特性之外，相較於工程塑膠，ABRC 材料導熱特性佳、尺寸安定、兼具絕緣特性，不僅符合UL94 5VA 等級( 板件厚度< 3 mm)，也通過軌道車輛的防燃規範，具備優異的火源屏蔽效果，可以達成鋰電池模組的容納數量、輕量化電池模組重量、並屏蔽外來衝擊，可降低電池失效的風險性。

■ 技術特徵

鋰電池(Lithium Battery) 因具輕、薄、能量密度高的優勢，已普遍應用於消費性3C 產品、電動車與儲能系統(EES System)。近年來儲能系統市場需求快速成長，鋰電池應用在儲能系統已由KW 級，大幅躍升至MW 級，甚至GW 級的應用規模。然而，隨著近兩年南韓發生多起儲能系統火燒事故，證實即使在電池管理系統(Battery Management System; BMS) 及機械結構等多重防護下，鋰電池仍存有發熱自燃的潛在風險。針對鋰電池內部短路火燒問題，國際電工委員會(IEC)陸續制訂電芯內部短路及電池系統延燒試驗方法；日本電池大廠也要求客戶的電池組必須通過延燒測試才願供貨；在中國也對動力電池標準將新增「熱擴散」項目；南韓政府亦決定加快腳步強化EES System 安全標準。由此可見，國際間已紛紛關注鋰電池熱失控火燒的議題，電池防延燒技術也在產業界受到高度重視。

由於鋰電池能量密度高且內含可燃性成分，可能因高溫、過充、撞擊、電子控制系統錯誤或製程瑕疵等因素，使得隔離膜熱熔融或受內部應力而破孔，造成極板接觸形成短路，而發生高熱化學反應。鋰電池熱失控(Thermal Runaway) 產生的高溫往往可達600˚C~1,000˚C，當這些熱量向四周擴散時，相鄰電芯也同步被加溫，一旦超過容許溫度(約150˚C)，相鄰電芯也將自放熱而造成電池系統全面延燒的熱失控連鎖反應。鋰電池熱失控後通常難以利用外部滅火的方式控制火勢，原因在於內部正極材料發生化學反應時，會持續釋放氧氣及大量的可燃性氣體煙霧，直至可燃材料耗盡為止。而這種氣體煙霧具有閃燃特性，一旦閃燃發生，壓力釋放的過程將使得電池系統內部所有空隙瞬間充斥火焰或高溫而造成危害。因此，電池系統的設計必須能夠有效阻絕或抑制熱失控產生的連鎖反應，除了結構熱傳的導熱外，閃燃火焰的抑制也是電池防延燒的一項重要課題。

一般來說，電池延燒防範重點在於熱失控臨界溫度前的溫升抑制，進而避免熱失控後熱傳至相鄰電芯。常見的實施措施有：①犧牲電容量，降低充電電壓，抑制電池活性；②犧牲空間，加大電芯間隙，但無法抑止高熱產生的火燒；③採用主動式水冷或液冷的降溫方式，但結構複雜且耗能，較不適用於中小型電池系統；④採用具阻燃、降溫、滅火以及隔氧等功能材料，抑制熱失控時的熱能擴散。工研院材化所目前針對電池熱失控的策略，開發一種新的防範機制，利用高效阻燃之結構件成型技術，能夠以滅火與乘載能力之結構件，立即吸收熱量達到降溫、抑制高溫傳遞的效果。工研院材化所開發此一熱指向性散熱材料，可以在動力電池或儲能系統發生熱失控問題或者其電池管理系統失效時，即時阻斷熱點生成。此工研院材化所電池防延燒護材(ABRC) 之專利配方屬一熱指向性散熱材料，透由三種以上的添加物及其它材料組合，對降溫與火焰消弭有十足功效，這也使得熱能傳遞至電池系統外而不影響相鄰電芯。此防範機制可以達到電芯均溫運作、阻隔熱失控、成本低、占用空間極小的四層效果，而且此專利配方材料可依照各類電池模組之設計來模壓成型，能夠廣泛應用。

使用最高溫達1,100˚C 的丁烷瓦斯噴槍進行模擬實驗，於ABRC 試片末端進行灼燒實驗，燃燒9~12 秒後移除火源，過程中以錄影方式觀察餘火熄滅情況，結果顯示，ABRC 材料可在0.5~2秒內達成自熄效果。此外，添加色膏並製作成薄型管件(壁厚<1 mm)，經燃燒試驗後的結果依舊能發揮阻燃特性(如圖一)。

圖一、工研院材化所電池防延燒護材(ABRC)製備成薄型管件，經高溫燃燒後，立即自熄

以18650 電芯3S3P 電池模組試驗，於55˚C 環境溫度下，使用針刺觸發方式實測，測試結果，1 號觸發電芯熱失控的最高溫度超過900˚C，而受到熱傳影響，鄰近如2 號電芯表面最高也量測到600˚C 的高溫。然而在材料運用與特殊結構設計下，電池模組並未出現熱失控連鎖反應的延燒現象。測試後拆解檢查並量測各電芯電壓結果(如圖二)，除1 號觸發電芯因熱失控燒毀外，其餘8 顆電芯仍保有電壓，並未受高溫影響而出現熱失控現象。

圖二、18650 電芯 3S3P 電池模組經延燒試驗後，九顆電芯電壓量測結果

因此，當電池系統內局部的電芯發生熱失控時，工研院材化所電池防延燒護材ABRC 材料可發揮阻絕熱源擴散的特性，侷限失效電池的影響範圍來達到防延燒的效果。而且ABRC 材料可採用不同製程，如團狀模壓(Bulk Molding Compression; BMC)、預浸料壓膜成型(Prepreg Compression Molding; PCM) 等複材製作工藝，有利於降低生產成本。

■ 技術規格

具隔熱與熱傳特性的工研院材化所電池防延燒ABRC 熱指向性複合材料技術，具有①均溫效果：正常使用時，有助電池系統內部電芯溫控，降低最大溫升，延長使用壽命；②熱阻隔效果：確保電芯熱失控後不至全面延燒，提高電池系統安全性；③成本低廉：成本僅新增約原成本之3~5%；④占用空間小：幾乎不影響原有電池系統的結構設計。

►有高導熱性 K= 0.7~1.1 W/(m*K)，優於塑膠 3~4倍

►高強度耐衝擊

►材料具備 RoHS 與 Reach 指令、符合 UL94 5VA 等級(板件厚度< 3 mm)、通過軌道車輛的防燃規範

►適用各類電池組之機構零組件加工之高性價比材料

►ABRC材料系統可運用於環氧樹脂、不飽和樹脂、泛用塑膠如PE、PP、PS等

表一、現行產品材質與工研院材化所防延燒護材(ABRC) 的規格比較

■ 應用範圍/領域

►廣泛運用於各類鋰電池之儲能設備之中，如運輸工具的動力鋰電池、電動自行車之電池模組、電動機車之電池模組、固定式儲能電池裝置、儲能櫃、車載式UPS、UPS 儲能系統等。

►電纜

■ 技術成果

工研院材化所電池防延燒護材ABRC 材料不僅可應用於電動自行車、電動機車與電動汽車上的電池模組蓋板、側板及盒體，對於一般需要較長的續航力、高容量及符合高安全性之安規的手持式裝置，如車載式UPS、UPS 儲能系統、儲能櫃、攝影機、擴音器等充電裝置，皆能藉由ABRC 材料提供該裝置之電池模組兼具承載力、續航力、耐腐蝕性，及更高的安全係數保護。目前可依照廠商各類電池模組之設計來打樣、模壓成型，確認其延燒效果及安全性。