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自 20 世紀 90 年代初投入商業(yè)使用以來,，鋰離子電池的性能得到了顯著提升,。美國能源部 (DOE) 車輛技術(shù)辦公室 (VTO) 估計,，2008 年至 2020 年間，鋰離子電池組的能量密度將增加 8 倍,。

當電池儲存更多能量時,，它們在熱失控事件中會釋放更多能量。在電池組緊密排列的情況下,，一個電池發(fā)生熱失控事件會導(dǎo)致相鄰電池升溫并釋放能量——這種連鎖反應(yīng)會產(chǎn)生爆炸性的后果,。

Forge Nano 的 Atomic ArmorTM 涂層使電池制造商能夠使用更高能量的材料來制造電池，而不必擔(dān)心增加熱失控事件，這應(yīng)該會減少較大電池組中的熱傳導(dǎo),。

為了測試這種傳導(dǎo)阻力,，F(xiàn)orge Nano 與美國先進電池系統(tǒng)架構(gòu)制造商 Acculon Energy 合作,，在兩種類型的電池模塊中測試其 21700 電池,。

PART 01. 實驗設(shè)置

Forge Nano 的 21700 電池由兩個不同的電池模塊構(gòu)成，一個由注塑 ABS 塑料制成,，另一個由膨脹型熱塑性塑料制成,，以確認多模塊結(jié)構(gòu)中的抗擴散性。測試旨在比較兩個模塊模型與陽極中使用 SiOx-石墨的高鎳 NMC 電池的熱失控抗性,。

Forge Nano 電池采用 9P4S（9 個電池并聯(lián),，4 個電池串聯(lián)）配置，通過超聲波引線接合技術(shù)用鋁線連接,。其中一個電池配備了電阻加熱器,，而所有電池都配備了熱電偶，以監(jiān)測測試期間的溫度變化,。

熱失控測試前的膨脹殼體模塊

使用恒流恒壓（CCCV ）模式逐串將模塊充滿電,，電壓最高可達 4.4V。測試前,，模塊在 60°C 下加熱一夜,。失控測試期間的電池加熱功率手動調(diào)整，以保持 10 °C/分鐘的加熱速率,。

每次測試前,，都會測量開路電壓 (OCV) 和溫度。處理模塊和連接線路后,，模塊溫度下降約 10-15 度（取決于模塊）至約 44-49°C,。

 TR 測試前的模塊電壓

PART 02. 模塊 1 結(jié)果 – 注塑 ABS 塑料

測試開始時，配備電阻加熱器的單電池溫度被推至 180°C,，導(dǎo)致熱失控,。熱失控開始時記錄的溫度比李航等人在《應(yīng)用熱工程》上發(fā)表的一項關(guān)于富鎳/硅石墨鋰離子電池?zé)岱€(wěn)定性的研究高出約 30°C 。電池很快達到約 400°C,，然后排出大部分電池內(nèi)部活性組分,。

熱失控沒有傳導(dǎo)到其他電芯，這可以從鄰近電芯溫度適度增加中看出,。

注塑 ABS 模塊熱失控測試溫度數(shù)據(jù)

Acculon 的分析表明,，電池活性物質(zhì)的溶出可能是造成傳導(dǎo)阻力的根本原因。計劃進行進一步測試,。

PART 03. 模塊2結(jié)果 – 膨脹型熱塑性塑料

對于第二項測試,，配備電阻加熱器的單電池被推至 170°C 的起始溫度，導(dǎo)致熱失控。同樣,，這個起始溫度高于李航等人對類似電池的分析中看到的 150°C,。電池很快達到約 550°C（明顯高于 ABS 模塊測試期間達到的溫度，但低于對高鎳 LG 18650 電池進行的類似測試）,，然后冷卻到略高于 100°C,，這與電池的活性物質(zhì)未從電池中排出的事實一致。

電池失控遵循與 ABS 模塊類似的模式,，這是高能電池化學(xué)反應(yīng)所預(yù)期的,。

儀表模塊熱失控電池測試后的外觀

Acculon 報告稱，膨脹材料吸收了部分熱能,，導(dǎo)致膨脹,。熱能事件發(fā)生后，附近電池的最高溫度達到 89.5°C,，遠低于熱失控發(fā)生的溫度,。未觀察到熱能向其他電池的傳導(dǎo)。

膨脹殼體模塊熱失控測試溫度數(shù)據(jù)

PART 04. 結(jié)論

用單電池加熱器引起電池?zé)崾Э夭⑦M行測試,，ALD涂層處理的電池沒有發(fā)現(xiàn)熱失控溫度條件下的熱傳導(dǎo),，這對 Forge Nano 電池配方來說是一個振奮人心的結(jié)果。在第一次模塊測試中,，被推至熱失控的 Forge Nano 電池最高溫度達到 400°C,，而第二次測試最高溫度達到 550°C。采用 Atomic ArmorTM 涂層材料的 Forge Nano 電池產(chǎn)生的熱量減少可能是消除模塊傳導(dǎo)的一個因素,。需要進一步調(diào)查才能得出確切的結(jié)論,，這計劃在未來的模塊構(gòu)建中進行。

自 2011 年成立以來,，F(xiàn)orge Nano 已經(jīng)提高了各種高能電池材料的性能和耐用性,。為了展示利用 Forge Nano 增強材料的電池級改進，該公司內(nèi)部構(gòu)建和測試了各種電池配方,。

與 Acculon 的合作使 Forge Nano 能夠擴展其安全測試能力,。Forge Nano 打算繼續(xù)研究Atomic ArmorTM 涂層，結(jié)合行業(yè)標準和下一代電池組構(gòu)造方法,，以確保利用 Forge Nano 技術(shù)的電池具有最高安全性,。   

關(guān)于 Forge Nano 

Forge Nano 專注于粉末原子層沉積技術(shù)（PALD)，憑借其專有的 Atomic Armor? 技術(shù),，能夠使產(chǎn)品開發(fā)人員設(shè)計任何材料直至單個原子,。Atomic Armor? 工藝生產(chǎn)的卓越表面涂層使合作伙伴能夠釋放材料的較佳性能，實現(xiàn)延長壽命,、提高安全性,、降低成本和優(yōu)化產(chǎn)品的功能,。其科學(xué)家團隊與廣泛的商業(yè)合作伙伴合作開發(fā)定制解決方案，能夠滿足任何規(guī)模的任何需求,，包括從小規(guī)模研發(fā)和實驗室級別到工業(yè)規(guī)模,、大批量生產(chǎn)。

Forge Nano PALD 商業(yè)化路線

參考文獻

【1】Hang Li, Xiangbang Kong, Chaoyue Liu, Jinbao Zhao, Study on thermal stability of nickel-rich/silicon-graphite large capacity lithium ion battery,Applied Thermal Engineering,Volume 161,2019,，114144,ISSN 1359-4311,