3月30日，广汽埃安发布“弹匣电池2.0”，在全球首次实现了电池整包枪击不起火，首次解决了爆裂性破坏等极端环境下的电池安全难题，再一次定义了电池安全的标准。
值得注意的是，“弹匣电池2.0”引入了阻热相变材料等一系列创新安全技术，使“弹匣电池2.0”从“针刺”跨越至“枪击”，自冷兵器时代快进到热兵器时代，每一块电芯都自带“消防队”。
这可能是相变材料首次在商业化层面应用于锂电池的热管理。除了电动汽车电池之外，在更大规模的储能电站市场，电池的热管理正在愈加受到重视，那么，相变材料在电池热管理上的潜力到底如何？
1、起火？爆炸？亟待解决的安全隐患
锂电池由于具有高能量密度、高电压等优点，可广泛应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统；还常常被应用于电动汽车、军事装备、航空航天等多个领域。
电池事故隐患的存在一直是制约电动汽车市场普及率增长的关键因素之一。以特斯拉Model S为例，自2012年上市至2019年间，累计发生自燃事件近20起，主要表现为冒烟、自燃甚至爆炸，且大部分事故发生在夏季。
我国目前电化学储能电站的主流建设形式是预制舱式锂离子电池储能电站。作为国内外布局数量最多的储能电站，自2017年以来，国外陆续出现30多起锂离子电池储能电站火灾事故，我国境内也曾发生过数起电站火灾，造成人员伤亡或财产等重大损失，引发业界对储能火灾安全问题的关注。
以北京416光储充一体电站爆炸事故为例，2021年4月16日，北京大红门集美家居广场25MWh直流光储充一体化电站项目发生起火爆炸，导致2名消防队员牺牲。
据中国电科院公布的事故分析报告，该电站在毫无征兆的情况下突发爆炸符合锂离子电池的安全事故诱发机制，电池在内外部激源的影响下，超出其安全技术承受能力，电池遭遇极端滥用条件，突发热失控。
2、知己知彼：为何出现“热失控”？
热失控是指由各种诱因引发的链式反应现象，导致电池在短时间内散发出的大量热量和有害气体，严重时甚至会引起电池着火和爆炸。
锂离子电池在充放电过程中，电极活性材料固相界面上的碳酸乙烯酯将与负极锂发生反应，在石墨附着表面生成一层SEI膜。该膜可以直接减缓甚至阻止电解液与电极两侧活性材料的反应，大幅降低其反应放热速率，提高正负极材料的稳定性。
电池热失控往往从电池电芯内的负极SEI膜分解开始，继而隔膜分解熔化，导致负极与电解液发生发应，随之正极和电解质都会发生分解，从而引发大规模的内短路，造成电解液燃烧，进而蔓延到其他电芯，造成了严重的热失控，让整个电池组产生自燃。
为了保障锂电池的安全运行，亟需开发有效的热失控防控策略，以保证锂电池在安全温度窗口下工作。
3、控温！吸热！防患于未“燃”
电池热管理对于将运行条件保持在最佳工作温度范围内从而避免热失控来说至关重要。相变材料由于具有相变潜热大、相变时体积变化小的优点，成为电池热管理研究的主要方向之一。
以埃安最新发布的“弹匣电池2.0”为例，据悉，“弹匣电池2.0”在初代弹匣电池的四大安全技术基础上引入了超稳电极界面、阻热相变材料、电芯灭火系统等一系列创新安全技术。
其中的阻热相变材料是埃安与中国航天合作研发的，该材料拥有隔热和相变吸热双重功能，相对常规材料而言，该材料的相变潜热提升了10倍，能在温度维持不变的基础上吸收大量的热，配合网状纳米隔热材料，整体的隔热性能大幅度提升40%。
另一方面，“弹匣电池2.0”还采用了双层冷却系统，对电芯顶部和底部同时进行冷却，整体冷却效率可提升80%，同时还降低了75%的上壳体温度，进一步保障了电池包上方乘员的安全。
4、刮摩淬励：国内外研究进展
将相变材料应用于锂电池，这并非埃安首创，近年来，国内外对于相变材料应用于锂电池的研究从未止步。
2021年，华中科技大学胡先罗教授课题组首次制备了一种相变调温隔膜，原位吸收电池内产生的热量。该工作中，作者将具有储热功能的相变材料集成至聚丙烯腈纤维膜内，赋予隔膜调温功能。在滥用条件下，内部相变材料受热发生熔化并伴随大量的潜热存储，可及时捕捉电池内部产生的热量，防止热失控的发生。
实验结果表明，基于这类隔膜材料的电池能在35s内恢复至室温，表现出优异的调温性能。同时，在正常工作条件下，由于该PAN纤维膜具有较高的孔隙率和优异的电解液亲和性，基于此隔膜材料组装的电池具有低极化电位、快速离子传输特性，显示出优异的电化学性能。
▲相变调温隔膜在滥用条件下锂离子电池中的调温性能。
该相变调温隔膜能为高能量密度锂离子电池提供内在过热保护，具有潜在的应用前景，为从隔膜角度改善锂离子电池的安全性提供了一种新方法。
2023年1月19日，电动汽车充电、储能、能源安全和户外媒体创新可持续产品和技术供应商Beam Global宣布获得中国国家知识产权局和印度专利、外观设计和商标总局颁发的涉及电池组PCM（相变材料）热管理系统的技术专利。
据悉，Beam Global的PCM电池组热管理系统应用了相变复合材料（PCC）来储存和控制热量，将包括石蜡或其他蜡、水合盐、脂肪酸、氢化生物油等一种或多种材料浸渍在膨胀石墨片中，将其切碎后形成PCC颗粒，并在添加适当粘合剂增强PCC的机械性能（提高抗压强度，硬度，减少膨胀或收缩）后封装在电池组的预制外壳中。
该系统可以有效缓解电池组的热失控，通过PCC材料将锂离子电池单体电芯相互隔离，且热失控电芯的热量被PCC有效吸收储存，可防止热失控蔓延至整个电池组。
▲普通电池组不能缓解热失控（左边），应用PCC技术的电池组能够有限缓解热失控
在刚刚结束的第四届中国储热大会上，华南理工大学化学与化工学院教授张正国也就相变材料于电池热管理领域的应用进行过相关介绍。
张正国所在团队提出的水合盐相变材料有两个温度分区：第一在45℃附近能发生固液相变，因此它可以控制电池的温度在正常工作温度范围内；第二在105℃附近还可以发生热化学反应。张正国解释“所以我们结合这两个温度对电池进行热管理，这个复合材料能够保证电池在正常工作的时候进行温度控制，在接近热失控的时候产生热分解反应，避免电池的热失控。”
张正国表示，若是有机物和复合材料产品，当电池着火时，有机物有助燃作用，而无机物不可燃，因此对于抑制电池热失控有很大的好处。
他还提到，其团队开发的柔性相变材料也可以用来进行电池的热管理，特别是家用电器里用的电池可通过与柔性材料结合进行温度控制，这样可以有效防止电池过热，延长很多家用电器的工作时长。
▲柔性相变材料结构示意图
5、乘风破浪：未来重点研究方向
相变材料用于储能热管理，一般需要满足几个条件：材料热密度高，潜热量大；导热率高，吸放热速度快；稳定性好，不易分解或与周边材料发生副反应；使用周期长，不会对系统造成不良影响；价格低廉。
目前来看，能同时满足以上条件的相变材料还有待进一步的研发。根据目前PCM研究现状，今后研究可重点往以下几个方向发展：
（1）优化材料性能，提高热导率、封装性能及多次循环后的结构稳定性；
（2）结合风冷、液冷、热管技术，优化基于相变材料的电池热管理系统的结构设计方案；
（3）加大对相变材料热管理数值模拟分析的研究。相变传热问题影响因素较多，且计算复杂，建立更精确的相变材料热管理模型，有利于进行热设计分析，降低实验成本，优化热管理系统；
（4）加大相变材料在严寒天气中电池加热上的研究。目前大部分PCM热管理研究均为对电池进行冷却，但实际应用中，特别是严寒天气下，电池的加热也同样重要，需加大研究。
诚然，在开发电池的过程中，要不断追求更高的能量，更快的充放电速度以及更长的使用寿命，但是，安全性问题总归是具有“一票否决”的关键作用。
锂离子电池的工作性能对温度具有较高的依赖性，温控设备一方面保证锂离子电池工作在适宜的温度，从而有效延长电池使用寿命，另一方面保证储能系统的整体温度在可控范围内不发生热失控等安全事故，是储能系统中不可或缺的核心组成部分。
未来，我们期待相变储热技术公司可以在此方面有所突破，打开一个新的市场空间。
