Passive protection containment of high temperature and impact hazards from thermal runaway in aviation power lithium-ion batteries
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摘要: 锂离子电池热失控造成的热冲击将损坏安装结构，对周围人员和设备安全构成威胁，是限制其在航空领域应用的关键问题。通过自主搭建的锂离子电池热失控高温冲击实验平台研究发现，单节电池热冲击对电池包顶板的冲击压力高达13.23 kPa，致使其外表面温度高达274 ℃。为了有效包容锂离子电池热失控造成的高温冲击危害，提出了电池包顶板涂敷防火涂层的被动防护方法。通过实验研究发现，环氧树脂基膨胀型防火涂层可通过膨胀有效阻隔锂离子电池热失控冲击压力的影响，通过吸收热量降低并延缓电池包顶板的温度上升。分析锂离子电池热失控包容性验证实验结果可知，1.0 mm厚的E80S20涂层和E85S15B3涂层分别使电池包顶板最高温度下降52.16%和55.80%，结构最高形变分别降低72.2%和44.4%。研究结果表明，防火涂层被动防护技术能够有效提升电池舱体对热失控高温和冲击危害的包容性，可作为航空动力锂离子电池系统安全性设计的有效措施。Abstract: The thermal shock caused by thermal runaway of lithium-ion batteries causes damage in the installation structure and poses a threat to the safety of surrounding personnel and equipment, which is a key issue limiting their aviation applications. Through a self-built high-temperature impact experimental platform for thermal runaway of lithium battery, it was found that the impact pressure on the pack top plate of battery from single-cell thermal shock can reach up to 13.23 kPa, causing the external surface temperature beyond 274 °C. The combined effect of high temperature and impact pressure increases the risk of the casing undergoing plastic deformation, buckling, or even failure. To effectively mitigate such risks, a passive protection method that involves applying a fireproof coating to the top plate of the battery pack. is proposed. Through large panel combustion experiments and cone calorimeter tests, it was found that the epoxy resin-based intumescent fireproof coatings can effectively block the impact pressure induced by thermal runaway of a lithium-ion battery by expanding, and absorbing heat, thereby reducing and delaying the temperature rise of the top plate of the battery pack, demonstrating excellent thermal shock resistance. By comparing the containment effects of fireproof coatings of different thicknesses, it was found that the 1.0-mm-thickness coating is more suitable for practical application requirements. Referring to relevant airworthiness regulations, verification tests were conducted on the thermal runaway containment of lithium battery. The analysis of the experiment results shows that the 1.0-mm-thickness E80S20 coating and E85S15B3 coating reduced the maximum temperature of the top plate of the battery pack by 52.16% and 55.80%, respectively. Additionally, the maximum structural deformation decreased by 72.2% and 44.4%, respectively. The study indicates that the passive protection technology of fireproof coating can effectively enhance the containment of high temperatures and impact hazards caused by thermal runaway. This approach can serve as an effective measure in the safety design of aviation power lithium-ion battery systems.
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促进绿色交通体系的发展是实现双碳目标的关键措施之一[1]。在航空领域，推动绿色航空发展已成为国际社会的共同目标。电动飞机作为一种清洁、高效的交通方式，正逐步成为广泛关注的焦点[2-3]。然而，电动飞机的广泛应用存在一系列新的挑战，锂离子电池防火安全问题是关键之一。作为电动飞机的主要能源储存设备[4-5]，锂离子电池在提供高能密度的同时，也存在着火灾风险。过充、过热、外部冲击等因素可能引发锂离子电池内部的热失控[6-8]，从而产生大量喷射火以及由气体、蒸气和颗粒组成的高温混合物[9]。电池热失控的热冲击是指高温混合物的高温冲击以及其携带的压力冲击。这种耦合冲击可能会损坏甚至烧穿电池包上盖板[10]，进而烧毁周边其他设备、结构和系统，造成灾难性事件发生。基于此，民航对锂离子电池热失控包容性提出了明确的适航要求[11-12]。
热失控包容性是指通过对电池系统采取主动管理或被动防护技术，使其能够包容电池热失控引发的热冲击危害、毒性危害以及气体爆炸危害的影响，无碎片释放，无火焰逸出，且有害排放物符合规定的排放类别。其中，主动管理通常由电池管理系统进行实时健康检测并根据需求采取控制策略；被动防护技术则依靠不同的热控材料和总装布局协调，降低热失控危害。被动防护技术在空间和重量方面具备显著优势，是热失控包容性设计的重要内容。常见被动防控措施所用材料多为云母板和气凝胶。然而，云母板的使用降低了电池包的能量密度和空间利用率，且在遭受较大震动时存在开裂的风险；气凝胶的成本较高，限制其在动力电池领域的大规模应用。较之云母板和气凝胶，防火涂料厚度通常不超过2 mm，不会侵占电池包的内部空间，满足电池包的轻量化设计需求，可在电池发生热失控的紧急情况下在表面产生显著的体积膨胀，有效地保护基材免受热源的影响，提供良好的防火以及抗冲击效果[13-15]。
针对锂离子电池热冲击危害，已开展的相关研究可作为热失控包容性设计的重要参考。Chen等[16]使用3台高清摄像机和1台高速摄像机从不同角度分析了锂离子电池热失控行为和喷射火焰演变，并对热释放速率进行了预测。Kong等[17]以OpenFOAM为框架建立了一种数值模型，对不同荷电状态（state of charge，SOC）下锂离子电池的排气流动速度、喷射火焰高度和峰值热释放速率进行了数值求解。Wang等[18]研究了大容量磷酸铁锂离子电池的产气和火焰行为，发现火焰温度远高于产气温度，热失控喷射火焰的危险性主要表现在高温火焰以及强烈的热辐射。Chen等[19]测量了在燃烧室中锂离子电池火灾时喷射火焰携带的冲击压力。Chen等[20]研究了在半密闭空间内锂离子电池初爆和热失控时气体喷射造成周围环境的压力变化，分析了这种冲击压力可能对人体造成的伤害。综上，当前关于电池热冲击的研究多为对电池喷射火焰特性或者热失控冲击压力特性的单独研究，对电池喷射物的高温冲击和压力冲击的综合研究相对有限。
量化研究电池喷射物的高温冲击和压力冲击影响的特性指标，可有效验证防火涂层被动防护技术对于热失控危害的综合包容效果。本研究通过实验探究不同SOC的锂离子电池热失控高温喷射物造成的高温冲击以及压力冲击对上方顶板造成的危害，分析环氧树脂基膨胀型防火涂料的阻燃特性，确定该防护措施对热冲击包容的有效性。为确定涂层在应用中的最佳厚度，通过实验分析0.5、1.0和2.0 mm厚涂层对100% SOC电池热失控热冲击的包容效果，并最终验证1.0 mm厚涂层的热冲击包容效果是否满足适航要求。
1. 锂离子电池热冲击危险性分析
1.1 实验设置
实验选取正极材料为LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (NCM )的圆柱形锂离子电池进行实验，额定容量为2.6 A·h。使用恒流-恒压的充电模式对实验用锂离子电池分别充电至25%、50%、75%和100%的 SOC。考虑到实际应用中常见的场景，选用了广泛应用于电池包外壳的铝合金作为基础材料[21-22]。
图1为热冲击测试平台示意图，实验装置由固定装置、热电偶和质量传感器组成。图1中，热电偶布置于受冲板背火面中心处，用于测量铝板被冲击点的温度变化；质量传感器用于测算电池热失控造成的冲击压力。
由于质量传感器测量结果为热冲击引发的质量变化，为了方便量化热失控冲击值，通过下式计算冲击压力：
p=mg/S (1) 式中：p为热失控引发的冲击压力；m为冲击导致的质量变化；g为重力加速度，通常取9.8 N/kg；S为受冲击板的面积，实验所用受冲板迎冲击面尺寸为5 cm×5 cm，S为
0.0025 m²。将单节电池置于图1所示的热冲击测试平台内，使其竖直固定在冲击板中心下方10 mm处，使用60 W的加热棒来触发电池的热失控。实验中通过采集温度和压力数据来表征电池热冲击危险性。
1.2 热冲击危险性分析
电池在加热过程中温度持续上升，首先安全阀发生破裂，高温白烟通过破裂的安全阀从电池顶部冒出。随着冒烟速率不断增大，电池最终发生了热失控，强烈的火焰从锂离子电池顶部喷出，并带有大量排出的高温气体和颗粒。电池热失控阶段产生了较高的喷射火力和冲击压力，从而对顶板造成机械冲击伤害并导致顶板撞击点区域温度大幅上升。
图2为在不同SOC的电池冲击下顶板背面的最高温度Tmax和顶板所受的最高冲击压力pmax。由图2中的温度曲线可知，当电池处于25% SOC时，热冲击造成铝板温升最低，最高温度为89.9 ℃。这是因为，热失控反应剧烈程度较低，较低的可燃气体浓度和喷射速度导致轻度燃烧，顶板受热量较少。SOC越高，热冲击造成铝板的温升越高，在满SOC状态下冲击温度高达274 ℃。这种趋势表明，热冲击的最高温度随SOC的提高而升高。这是因为，SOC越高，电池内部储存的化学能量越多，而且电池内部电解液和电极材料的反应性增强，使热失控现象更剧烈。此外，高SOC的电池产生的排气混合物可燃性范围更宽，因此更容易被点燃，从而引发更剧烈的燃烧。由图2中的冲击压力曲线可知，当电池SOC分别为25%、50%和75%时，热失控喷射产生的最大冲击压力分别为0.85、2.44和5.09 kPa，最高冲击压力相对较低。然而，100% SOC下，最大冲击压力急速上升至13.23 kPa。随着SOC的提高，电池的热失控反应变得更剧烈，参与反应的物质总量增多。在安全阀失效前，电池内部积累的气体量增大，释放的能量也随之增加，导致气体和颗粒物的喷射量和速度大幅提高，从而对顶板产生更强的冲击。
图 2 不同SOC电池热失控下铝板背火面的最高温度和所受的最高冲击压力Figure 2. The maximum temperatures and the maximum impact pressures on the backsides of aluminum plates under thermal runaway of different SOC batteries综上所述，锂离子电池热冲击不仅会对电池正极正上方单元施加较大的热负荷，还会引起机械伤害，两者的耦合效应加剧了安全风险，将破坏电池包的结构完整性。火焰喷射以及高温气体和颗粒的排出导致顶板撞击点温度急剧升高，形成局部过热，伴随明显的温度梯度，产生巨大的热应力，显著降低外壳的强度。在满SOC状态下，顶板温度达到274 ℃，参考欧洲规范规定的铝合金高温力学性能参数[23]得知，此时铝板受冲击区域的屈服强度至少下降了45%。同时，热失控引发的机械冲击使电池包上盖板瞬间承受压力冲击。此外，电池热失控的多米诺效应会导致外壳经历多次高温冲击的累积损伤[24]。这种叠加效应加剧了外壳发生塑性变形、屈曲甚至破坏的风险，从而导致电池包内的易燃或有毒气体泄漏，进而引发更严重的后果。因此，针对电池热冲击，特别是在满SOC状态下，必须采取有效措施来降低热冲击和机械冲击的危害，以确保电池系统的可靠运行。
2. 防火涂层抗热冲击特性
2.1 防火涂层材质
由上文中的危险性分析可知，电池热失控防护不仅需应对喷射物的高温风险，同时还需抵抗机械冲击危害。因此，电池被动防护技术所选涂料需具备较高的防火能力和抗冲击能力。实验中选用E80S20和E85S15B3环氧树脂基膨胀型防火涂料，其主要构成包括E51环氧树脂、坡缕石（Si8O20Mg5(Al)(OH)2(H2O)4·4H2O）、有机硅树脂、聚磷酸铵（ammonium polyphosphate, APP）、三聚氰胺（melamine, MEL）、季戊四醇（pentaerythritol, PER）、碳化硼、海泡石（Si12Mg8O30OH)4(OH2)48·H2O）以及593固化剂[15]，配方见表1。
表 1 涂料中不同组分的质量分数Table 1. Mass fractions of different components in coatings% 涂料 环氧树脂 坡缕石+海泡石 有机硅树脂 APP+MEL+PER 593固化剂 碳化硼 E80S20 50.79 4.76 12.70 19.05 12.70 0.00 E85S15B3 52.95 2.34 9.35 18.69 12.46 4.21 涂层在受热时，配方中的聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺之间会发生协同反应，环氧树脂和有机硅树脂会发生分解反应，这些反应均为吸热反应，可以消耗热量并起到一定的冷却作用。其次，聚磷酸铵、三聚氰胺成分在反应过程中会产生不可燃气体和水蒸气，有效稀释O2浓度，可气相阻燃。此外，涂层受热会形成泡沫状膨胀炭层，炭层将热源与基材隔离，有效地减少了电池喷射物对铝板的传热量[13, 15, 25]。
2.2 涂层防护特性实验设置
涂层的防护特性可依据GB/T 12441－2018《饰面型防火涂料》和ISO 5660-1《着火反应试验：放热、产烟和质量损失率》进行大板燃烧实验和锥形量热仪实验获取[26-27]。大板燃烧实验通过模拟真实火灾情境，测试材料的隔热效果和耐火性能。实验采用丁烷喷枪模拟电池热失控火焰温度
1200 ～1300 ℃。实验板尺寸为100 mm×100 mm×1 mm，在其表面均匀涂制厚度为1.5 mm的阻燃涂层。涂层在室温下固化24 h后实施大板燃烧实验。实验时，喷枪喷嘴到涂层表面的距离（火焰长度）保持8 cm。在涂层背面安装K型热电偶，并通过数据采集装置记录背面温度的变化。锥形量热仪实验主要研究材料在受热时的燃烧行为和热释放特性。实验试样尺寸为100 mm×100 mm×4 mm，使用Vouch6180仪器对涂层样品进行测试，辐射通量设定为35 kW/m，测试操作方法严格按照标准程序完成。2.3 涂层防护特性分析
图3展示了大板燃烧实验的结果。E80S20涂层和E85S15B3涂层均表现出优异的阻燃性能，在丁烷火焰冲击下有效降低了背火面的最高温度，并在测试过程中显示出较强的耐久性。背火面的温度呈现出先快速上升后逐渐下降并趋于平稳的趋势。在火焰冲击的前8 min内，各涂层的背面温度迅速达到峰值，分别为221和184 ℃。由于E85S15B3涂层中添加了碳化硼，在高温下生成硼硅酸盐玻璃，增强了其热障性能，因此其阻燃效果更加出色。随后，所有涂层的背火面温度均有所下降，这是由于残炭的膨胀完成及内部持续进行的吸热反应所致。最后温度趋于平稳，表明涂层内部的化学反应和物理变化达到了平衡状态。
图 3 丁烷火焰冲击下涂层背火面的温度变化曲线Figure 3. Temperature change curves of coating backfired surfaces under butane flame impact表2为涂层样品的锥形量热测试结果。表中分别记录了样品的点火时间（time to ignition, TTI）、热释放速率峰值（peak heat release rate, PHRR）、总放热量（total heat release, THR）以及质量残留率（mass residual ratio, MRR)。E80S20涂层较之E85S15B3涂层的点火时间推迟了2 s，这表明E80S20涂层的早期热隔离性能更为显著，能够在短时间内有效抑制初期热量传递，从而推迟材料的点燃。PHRR和THR反映了材料的阻燃性能，数值越低，阻燃性能越好。2类涂层PHRR和THR均相对较低，能够很好地抑制燃烧放热，减缓热冲击的温度影响。E85S15B3涂层的热释放速率和总热释放量都更低，具有更好的防火性能。此外，2种涂层在作用后质量残留率相当，这表明两者在燃烧过程中的耐火性和抗分解能力相对接近。
表 2 不同涂层的锥形量热测试参数Table 2. Cone calorimeter test parameters for different coatings样品 TTI/s PHRR/(kW·m−2) THR/(MJ·m−2) MRR/% E80S20 31 181.34 39.31 56.88 E85S15B3 29 170.53 35.62 58.32 图4为锥形量热测试后E80S20和E85S15B3涂层的形貌照片。2类涂层在实验过程中均经历了不同程度的膨胀，变成了明显的山丘状结构。涂层的热膨胀过程会发生吸能效应，将分散冲击所带来的部分机械应力。对比图4中的膨胀高度可知，E80S20涂层的膨胀性能略强于E85S15B3涂层。由于E80S20中含有较高比例的有机硅树脂，在受热时会发生更显著的膨胀，从而减轻了更多的冲击压力。
图 4 涂层受热后的膨胀高度与形貌特征Figure 4. Expansion height and morphological characteristics of coatings after heating综上所述，E80S20涂层和E85S15B3涂层均可对高温冲击产生一定程度的防护作用，且E85S15B3涂层的防火效果较好，E80S20涂层缓解机械冲击的效果更佳。
3. 防火涂层厚度的优选
防火涂层厚度直接决定了防护效果。现有技术生产的膨胀型涂层干膜厚度需在0.5 mm以上才能达到较好的阻燃隔热效果[28]，且在实际应用中膨胀型涂层厚度通常不超过2.0 mm[15]。通过图1中热冲击测试平台，分别测试厚0.5、1.0和2.0 mm防火涂层的防护效果。
图5为不同涂层厚度下受冲板背火面最高温度Tmax和受冲板所受的最大冲击压力pmax，Tmax和pmax分别反映了防火涂层对电池热失控高温和压力冲击的阻隔效果。由图5(a)可知，防火涂层显著降低了铝板的峰值温度，以1.0 mm厚的涂层为例，铝板背火面的最高温度分别降至106.31和89.31 ℃，在该温度下，铝板受冲击区域的屈服强度仅下降了约5%，此时铝板的力学性能与常温下几乎无异，能够有效维持其结构稳定性。由图5(b)可知，防火涂层在一定程度上还减缓了铝板受到的冲击压力。这意味着，涂层的使用不仅有效防止了高温导致的铝板强度下降，还减少了作用于铝板的机械载荷，降低了其发生塑性变形或屈曲的风险。此外，对比2个涂层包容效果发现，同等厚度下，E85S15B3涂层高温包容效果均优于E80S20涂层，E80S20涂层冲击压力包容效果均优于E85S15B3涂层，这与第2节中的研究结果相印证。
图 5 涂层厚度对铝板背火面最高温度与所受最大冲击压力的影响Figure 5. Influences of coating thicknesses on the maximum temperature and maximum impact pressure on the backside of aluminum plates为实现定量分析不同厚度涂层对电池高温冲击的防护效果，采用下述公式对不同厚度涂层在电池热失控情形下的包容效果进行计算：
CT=(Tb−Ta)/Tb, Cp=(pb−pa)/pb (2) 式中：CT为高温包容效果，Tb为采取包容措施前的受冲击板背面最高温度，Ta为采取包容措施后的受冲击板背面最高温度，Cp为冲击压力包容效果，pb为采取包容措施前的最高冲击压力，pa为采取包容措施后的最高冲击压力。
E80S20涂层和E85S15B3涂层的包容效果见表3。由表3可知，E80S20涂层和E85S15B3涂层的热冲击包容效果随厚度增大呈现增速趋缓的趋势。当厚度超过1.0 mm后，增大厚度对热冲击的包容效果增益下降，且增加幅度不再显著。尽管增大涂层厚度可增强其防护效用，但考虑到材料成本、施工成本和维护成本以及增大涂层厚度会增大涂层与基材之间的剪切力，导致附着力降低而影响涂层的稳定性和耐久性，综合评估选取最优涂层厚度为1.0 mm。
表 3 不同厚度涂层的包容效果Table 3. Containment effects of coatingswith different thicknesses涂层材料 厚度/mm Tmax/℃ CT/% pmax/kPa Cp/% E80S20 0.5 144.95 47.1 10.21 22.8 1.0 106.31 61.2 9.61 27.3 2.0 100.28 63.4 9.21 30.4 E85S15B3 0.5 95.08 65.3 10.92 17.6 1.0 89.32 67.4 10.50 20.5 2.0 85.49 68.8 10.25 22.6 4. 被动防护包容效果分析
4.1 实验设置
搭建锂离子电池热失控包容性实验平台，如图6所示，以验证被动防火涂层的包容效果。实验舱为一个由不锈钢制成的矩形体，尺寸为200 mm×150 mm×120 mm。其上表面为可更换的铝板，通过螺栓固定以确保舱体的密闭性。2节锂离子电池并排放置于实验舱的中央位置，电池的安全阀与涂层之间的距离为10 mm。电池之间放置一根功率为60 W的加热棒，用于触发电池热失控。涂层厚度设定为1.0 mm。实验过程中，使用红外热成像仪对实验板背火面（外表面）温度分布进行监测。
图 6 热失控包容性实验平台示意图Figure 6. Schematic diagram of the experimental platform for testing the thermal runaway containment4.2 防火涂层被动防护方法包容效果
图7展示了铝板在电池热失控高温冲击后的表面残留物。其中，无涂层铝板表面被热失控喷射的颗粒覆盖，有涂层铝板表面覆盖了涂层吸热膨胀燃烧后形成的残炭和吸附的热失控颗粒。由于材料的炭层强度不同，使得残炭表面均存在着不同大小的破坏痕迹。相较于E80S20涂层，E85S15B3涂层的受损面积更小，残炭表面也更加致密。这说明E85S15B3涂层在电池高温喷射物作用下具有更好的耐火和隔热性能。较小的受损面积表明该涂层在高温环境下能够提供更有效的物理屏障，减缓火灾中的热解反应速率，降低了基材暴露于高温环境中的程度。残炭表面致密性则意味着该涂层在热分解过程中形成了结构稳定的保护层，有效抑制了热量向基材的进一步传导。
图 7 不同涂层在电池热失控高温冲击下的表面残留物Figure 7. Surface residues of different coatings under thermal runaway and high temperature impact of batteries图8展示了红外热成像仪测量所得实验过程中铝合金盖板外表面的最高温度，图中Tavg为平均温度。3组实验的峰值温度分别为118.1、52.2和56.5 ℃。涂敷E80S20涂层和E85S15B3涂层后，盖板最高温度较空白组分别降低61.6和65.9 ℃，分别降低约52.16%和55.80%。这一结果表明，在包容性验证实验中，涂层材料依然能够有效降低盖板的峰值温度，从而对电池热失控引发的高温冲击危害提供了有效防护。其中，E85S15B3涂层降温效果更显著，这与前文的分析结果一致。
图 8 铝板达到峰值温度瞬间的热像图Figure 8. Thermal images at the moment when aluminum plates reach their peak temperature图9为铝合金盖板外表面在最高温度时刻温度分布的具体情况，图中x为冲击面的宽度，y为冲击面的长度。无涂层防护时，电池热失控产生的高温冲击导致舱体上表面结构温度显著升高，高温区域的面积大，其中，温度高于50 ℃的区域面积占比22.18%。相比之下，涂有涂层的铝板有效地抑制了高温扩散，明显减小了高温范围，其中，温度高于50 ℃的区域面积占比仅为0.48%和1.67%。此外，对比2类涂层发现，尽管E85S15B3涂层较E80S20涂层的峰值温度低，但整个铝板内的平均热量却相对较高。E85S15B3涂层在受热过程中生成碳化硅，其具有较高的热导率，会使热量更均匀地分布到整个盖板上，从而有效降低了局部的峰值温度。
图 9 铝板达到峰值温度时的瞬态热分布Figure 9. Transient thermal distribution of aluminum plates at peak temperature图10为无涂层和有涂层时铝板外表面的最高温度曲线。在无涂层实验中，由于无任何保护机制，电池发生热失控时，铝板表面温度骤然升高，撞击点区域温度达到了118.1 ℃。由于密闭空间内氧气含量有限，可燃气体燃烧反应不完全，实验峰值温度低于之前实验的最高温度。有涂层实验中，电池发生热失控时铝板温度均能保持在常温附近，分别为28.7和21.5 ℃，温度防护效果显著。随后，由于电池热失控火焰的持续燃烧以及电池喷射物中的高温颗粒黏附在铝板上[29]，铝板的温度逐步上升并达到峰值。此外，防火涂层材料对温度上升时间起到了有效延迟效应，分别向后了32.4和28.4 s。这表明，防火涂层材料可延缓热量传递，具有良好的热阻效用。
图 10 铝板外表面的最高温度变化曲线Figure 10. The maximum temperature change curves of the outer surface of the aluminum plates图11为实验后铝板受到电池热失控高温冲击压力后的形变状态。电池热失控高温冲击导致铝板发生明显形变和凸起。将铝板凸起最高点与水平面的距离定义为最大凸起高度，表征涂层对冲击压力的包容作用。测量图11中的铝板凸起高度，3组实验铝板凸起后的最大高度分别为10.0、3.5和6.0 mm，壳体的最大凸起减小了6.5和4.0 mm，形变降低72.2%和44.4%。这一显著变化主要是因为，涂层通过其热膨胀吸收了部分冲击能量，并通过隔热效应减缓了高温对铝板力学性能的削弱。这种综合作用增强了壳体在高温冲击条件下的抗形变能力，进一步提升了其结构稳定性。
图 11 铝板在电池热失控冲击后的形变情况Figure 11. Deformation of aluminum plates after thermal runaway impact of batteries5. 结 论
研究了锂离子电池热失控产生的高温与冲击对电池舱体上盖板的影响，并分析了被动防护技术中防火涂层对此危害的包容效果和有效性，得到的主要结论如下。
(1)锂离子电池热冲击会对电池舱体上盖板施加较大的热负荷和机械负荷，破坏电池包的结构完整性，且这种破坏性与电池的SOC呈正相关。在满SOC状态下，电池热失控致使上盖板最高温度升至274 ℃，最大冲击压力达13.23 kPa。
(2)实验采用的2种自研防火涂层均能够抑制火焰燃烧并可以在受热膨胀时减轻机械冲击伤害。E85S15B3涂层在缓解高温冲击方面效果较优，E80S20涂层在缓解冲击压力方面效果较好。
(3) E80S20涂层和E85S15B3涂层对电池热失控高温和压力冲击的包容效果随厚度增加呈现出增速趋缓的趋势。当厚度超过1.0 mm后，增加厚度对热冲击的包容效果增益明显下降，且增加幅度不再显著。因此，在实际应用中，可以将涂层的涂覆厚度设置为1.0 mm，以实现最佳的防护效果和材料利用率。
(4)参考相关适航要求进行热冲击包容性验证，结果表明该涂层可以有效实现对热冲击危害的包容。厚度为1.0 mmE80S20涂层和E85S15B3涂层分别使电池包顶板峰值温度下降可52.16%和55.80%，壳体最高凸起形变分别降低了72.2%和44.4%。
本文的研究结果可为航空锂离子电池的危险性评估和热失控包容性的设计提供参考。随着电动航空器的快速发展，对动力电池包的安全要求将越来越高，而契合电池包轻量化特点的防火涂料有望得到越来越多的应用。未来的研究应着眼于开发更高效的防火涂层材料，进一步提升其隔热和抗冲击性能，以增强电池包在热失控情况下的包容效果。此外，还应将被动防护措施与主动降温措施相结合，构建多层次的安全防护体系，最大程度地减少电池热失控可能造成的损害。
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图 2 不同SOC电池热失控下铝板背火面的最高温度和所受的最高冲击压力
Figure 2. The maximum temperatures and the maximum impact pressures on the backsides of aluminum plates under thermal runaway of different SOC batteries
图 3 丁烷火焰冲击下涂层背火面的温度变化曲线
Figure 3. Temperature change curves of coating backfired surfaces under butane flame impact
图 4 涂层受热后的膨胀高度与形貌特征
Figure 4. Expansion height and morphological characteristics of coatings after heating
图 5 涂层厚度对铝板背火面最高温度与所受最大冲击压力的影响
Figure 5. Influences of coating thicknesses on the maximum temperature and maximum impact pressure on the backside of aluminum plates
图 6 热失控包容性实验平台示意图
Figure 6. Schematic diagram of the experimental platform for testing the thermal runaway containment
图 7 不同涂层在电池热失控高温冲击下的表面残留物
Figure 7. Surface residues of different coatings under thermal runaway and high temperature impact of batteries
图 8 铝板达到峰值温度瞬间的热像图
Figure 8. Thermal images at the moment when aluminum plates reach their peak temperature
图 9 铝板达到峰值温度时的瞬态热分布
Figure 9. Transient thermal distribution of aluminum plates at peak temperature
图 10 铝板外表面的最高温度变化曲线
Figure 10. The maximum temperature change curves of the outer surface of the aluminum plates
图 11 铝板在电池热失控冲击后的形变情况
Figure 11. Deformation of aluminum plates after thermal runaway impact of batteries
表 1 涂料中不同组分的质量分数
Table 1. Mass fractions of different components in coatings
% 涂料 环氧树脂 坡缕石+海泡石 有机硅树脂 APP+MEL+PER 593固化剂 碳化硼 E80S20 50.79 4.76 12.70 19.05 12.70 0.00 E85S15B3 52.95 2.34 9.35 18.69 12.46 4.21 
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表 2 不同涂层的锥形量热测试参数
Table 2. Cone calorimeter test parameters for different coatings
样品 TTI/s PHRR/(kW·m−2) THR/(MJ·m−2) MRR/% E80S20 31 181.34 39.31 56.88 E85S15B3 29 170.53 35.62 58.32
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表 3 不同厚度涂层的包容效果
Table 3. Containment effects of coatingswith different thicknesses
涂层材料 厚度/mm Tmax/℃ CT/% pmax/kPa Cp/% E80S20 0.5 144.95 47.1 10.21 22.8 1.0 106.31 61.2 9.61 27.3 2.0 100.28 63.4 9.21 30.4 E85S15B3 0.5 95.08 65.3 10.92 17.6 1.0 89.32 67.4 10.50 20.5 2.0 85.49 68.8 10.25 22.6
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