為追求長續航里程，高能量密度動力鋰離子電池得到了大力發展。然而，動力鋰離子電池熱失控也是近些年電池起火、爆炸等事故頻現報道的主要原因。因此，高能量密度鋰離子電池的熱失控問題是電動汽車進一步發展面臨的亟需解決的難題，尤其是如今電池容量技術尚未得到革命性的進步，而各大廠家都在以續航作為賣點時，電池包的安全問題尤為值得注意。

6月29日，長城汽車在其科技節期間正式發布了“大禹電池”，可有效解決不同化學體系電芯發生熱失控之后的起火、爆炸問題。同時值得一提的是，長城汽車大禹電池將為全行業免費開放專利。

01什么是大禹電池？

據長城汽車官方介紹，大禹電池采用三元811大容量高鎳電芯，通過數十項核心技術專利，8大全新設計理念，實現熱失控情況下實現不起火、不爆炸。采用多梯次換流系統、快速極冷抑制系統、多級定向排爆系統、滅火盒系統來從Pack層級保障電池安全。

02大禹電池結構是如何？

大禹電池采用三元811大容量高鎳電芯，長城方面表示，“大禹電池”的核心優勢在于“大容量高鎳電芯”、“電池包內任意位置”、“單個或多個電芯觸發熱失控”的情況下均能實現不起火、不爆炸。采用多梯次換流系統、快速極冷抑制系統、多級定向排爆系統、滅火盒系統來從Pack層級保障電池安全。據悉，“大禹電池”計劃于2022年全面應用于長城汽車旗下產品，同時面向下一代全新電動車平臺，基于電池PACK與整車深度融合，將動力電池安全提升到全新高度。

03大禹電池是如何做到熱失控不起火？

長城方面表示，“大禹電池”設計融入8項全新設計理念——“熱源隔斷、雙向換流、熱流分配、定向排爆、高溫絕緣、自動滅火、正壓阻氧、智能冷卻”設計，并布局數十項核心技術專利，主要覆蓋熱源抑制、隔離、冷卻、排出等領域。具體來看：

熱源隔斷

電芯間采用公司全新開發的雙層復合材料，實現既能隔離熱源，又耐火焰沖擊，有效解決了傳統氣凝膠不耐沖擊的痛點。

雙向換流

失控過程中會產生大量高溫、高壓氣火流，通過雙向換流可實現熱源在電池包內安全流動，減少熱源對相鄰模組熱沖擊，避免二次引燃。

熱流分配

通過燃燒模型、熱流體力學、沖擊強度和壓力計算等應用研究，可實現氣火流在多種結構通道內的均勻分布。

定向排爆

結合電芯防爆閥位置，設計熱失控后氣火流路徑，并通過分流、導流，雙向換流將火源快速引導至滅火通道并安全排出。同時對高壓連接及高壓安全區域進行高溫絕緣防護，消除高壓起弧危險。

自動滅火，正壓阻氧

在定向排爆出口設置多層不對稱蜂窩狀通道，可保持包內壓力始終高于包外，避免因氧氣進入導致二次燃燒。

智能冷卻

當電池管理系統有效識別電芯已觸發熱失控，通過BMS和云端雙重監控，整車可快速開啟冷卻系統并抑制電池熱擴散。

長城表示，在測試實驗中采用了中心電芯的雙電芯加熱至熱失控，實驗中最高溫度超過1000攝氏度，但全程仍無起火爆炸，并且排出的煙氣溫度也控制在100度左右。

04高鎳三元電池熱反應機理

根據中國北方車輛研究所、北京電動車輛協同創新中心的研究表明，高能量密度鋰離子電池高鎳三元電池使用過程中易發生熱失控現象，存在不可忽視的安全隱患，其熱失控主要是 由正極材料及電解液的相關熱反應造成的。

目前為止，關于高鎳三元材料作正極的全電池的熱失控機理尚未見報道，但可借鑒其他正極材料體系的電池熱失控機理研究。2003年，Spotnitz分析了鋰離子電池熱失控的主要過程：在約100℃開始發生電極 -電解質界面膜(SEI膜)的分解，150～200℃主要進行電解液與碳負極的反應，200～300℃正極材料分解并與電解液反應，300℃電解液開始分解，隨后進入不斷進行鏈式放熱反應的熱失控過程。該研究表明，鋰離子電池的熱失控主要是由正極材料、電解液的熱反應所引發。但該研究還存在正極材料/電解液熱反應熱過程不明晰， 產熱、產氣無定量分析的問題。

高能量密度鋰離子電池正極材料的相轉變及氧釋放示意圖

高鎳三元材料的表面包覆可抑制電解液與正極材料的副反應，抑制材料的相轉變，提升熱穩定性，常見的表面包覆物主要有惰性氧化物和磷酸鹽等。電解質界面穩定性，改善了材料的熱穩定性，從而提升其安全性能。

高鎳三元材料的特殊結構設計也可提高其熱穩定性。高鎳材料常見的特殊結構主要有核殼結構和濃度梯度。

在熱穩定性改善方面，研究者們大多單獨改善高鎳三元正極材料或電解液的熱穩定性。然而，改善高能量密度鋰離子電池的安全性能，不應僅從正極材料(高鎳三元材料)或電解液方面分別入手，還需考慮正極材料與電解液的匹配問題。因此，研究者一般通過正極材料和電解液的熱穩定性改善和匹配研究，保證高能量密度鋰離子電池電性能的同時，提升其安全性能。

05多重保障

從上述實驗得知，溫度對電池包內部的影響是不能忽視的！為了減少重量及成本, 配件對材料減薄及實際保溫隔熱有持續的需求，然而這對于材料的可靠性甚至換熱性能都會帶來新的挑戰，未來也將通過保溫材料優化解決。

德耐隆Telite®產品由二氧化硅及陶瓷纖維氈復合制備而成，產品內部具有納米級 空隙可以減慢熱傳導，提供最低的熱傳導值,抗熱沖擊性優異。該纖維氈能夠在壓縮70%后完全回彈，能夠承受自身重量的數千倍的重壓而不發生碎裂，過千次壓縮循環測試后仍具有很好的回彈性。更重要的是，這種納米氧化硅纖維氈能夠在1500℃丁烷火焰和液氮中保持良好的柔性，長期使用溫度為1200℃。高溫下穩定性好，不脆裂。可作為高溫隔熱密封墊，阻隔熱短路，熔融金屬處密封墊,隔離(防燒結)材料領域。

電池包保溫隔熱防水防火專用材料德耐隆Telite®的關鍵技術包括導熱、隔熱、保溫，低應力緩釋技術,新型阻燃技術技術，在協助電池進行熱管理、降低溫差、實現熱平衡;撞擊、跌落、爆炸瞬間完成沖擊力緩釋;實現在高溫、過充、刺穿防爆中的阻燃隔熱效果等方面將取得決定性的作用。

德耐隆改性耐火隔熱氈材料能在各種電子設備和汽車應用中脫穎而出，并且能應對大容量動力電池系統和其他部件的設計和生產的挑戰，主要歸功于以下特點：

•產品密度150kg/m³（GB/T5480-2008）

•長期服務溫度-200℃至1200℃ （GB/T17430-1998；ASTM C 447）

•壓縮強度（變形10%:≥67kPa；變形25%:≥250kPa）

•產品憎水率≥98%（GB/T10299-2011）

•導熱系數不高于0.02W/m.k（GB/T10295-2008；ASTMC 447）

•加熱線收縮率＜2%@650℃（ASTM C 356）

•燃燒等級A級（GB 8624-2012）