鋰離子電池具備能量密度高、充電速度快等優(yōu)勢，但對熱失控現(xiàn)象高度敏感。一旦電芯發(fā)生無法受控的過熱，就可能起火甚至爆炸；產(chǎn)生的熱量還會(huì)蔓延至電池組內(nèi)其他電芯，最終引發(fā)整組電池爆燃起火。

電池起火雖不算高頻事故，但燃燒溫度極高，且依靠內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)持續(xù)供氧，極難撲滅。因此一直是電動(dòng)汽車及其他應(yīng)用場景中懸而未決的重大安全隱患。

在動(dòng)力電池中，溫度升高雖是熱失控的重要警示信號，但氫氣可作為更早的預(yù)警指標(biāo)：在電池組內(nèi)部積熱、起火之前，就會(huì)提前釋放氫氣。快速、可靠地檢測氫氣濃度，能夠提前防范過熱，從源頭阻止電池起火。

Posifa 科技首席執(zhí)行官涂鵬（Peng Tu）表示：“熱失控并非總是瞬間發(fā)生。在多起電動(dòng)汽車電池安全事故中，電芯會(huì)在泄壓初期釋放氫氣，比實(shí)際起火提前數(shù)分鐘出現(xiàn)征兆。”

這家總部位于美國加州圣何塞的企業(yè)，推出了PGS5100 系列氫氣傳感器，專為電動(dòng)汽車電池組及其他安全關(guān)鍵系統(tǒng)提供熱失控與潛在爆炸工況的早期預(yù)警。

該傳感器基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS） 技術(shù)，通過測量氣體熱導(dǎo)率變化，檢測電池組內(nèi)熱失控過程中不斷積聚的氫氣濃度。

產(chǎn)品響應(yīng)時(shí)間 100 毫秒、預(yù)熱時(shí)間 200 毫秒，可對潛在故障做出極速反應(yīng)。

采用 5 伏供電，平均功耗僅 50 毫瓦；同時(shí)集成溫濕度與壓力傳感功能，可自適應(yīng)環(huán)境變化，在寬溫、寬濕度、不同海拔工況下保持測量精準(zhǔn)。

熱失控成因及防護(hù)原理

市場研究機(jī)構(gòu) IDTechEx 技術(shù)分析師丹尼爾?帕爾（Daniel Parr）解釋：

鋰電池是精密的電化學(xué)器件，內(nèi)部存在復(fù)雜的化學(xué)與電氣耦合反應(yīng)。當(dāng)電芯脫離安全工作區(qū)（SOA） 時(shí)，會(huì)觸發(fā)一連串放熱鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，也就是熱失控。

熱失控常見誘因包括：

• 內(nèi)部短路或其他故障引發(fā)異常大電流；

• 電芯被穿刺、物理破損，正負(fù)極隔膜受損引發(fā)短路；

• 電芯內(nèi)部生長枝晶狀鋰枝晶，刺穿隔膜造成短路；

• 電芯形變、結(jié)構(gòu)缺陷破壞隔膜完整性，劣質(zhì)電芯更容易出現(xiàn)此類制造瑕疵；

• 過充、欠充等不當(dāng)充放電操作；

• 極端高低溫環(huán)境、機(jī)械重壓與劇烈振動(dòng)等惡劣工況。

熱失控一旦觸發(fā)，會(huì)隨電芯溫度攀升分為多個(gè)發(fā)展階段。冷卻系統(tǒng)通常用于阻止單電芯熱失控向整組蔓延，但并非總能完全抑制；尤其延遲型過熱—— 電芯受損或短路數(shù)小時(shí)后才出現(xiàn)過熱 —— 更難防控。

熱失控初期，電芯電解液等組分分解會(huì)釋放大量氣體，主要包括氫氣、二氧化碳以及各類揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC，如電解液蒸汽）。

電芯內(nèi)部壓力累積到閾值時(shí)會(huì)發(fā)生泄壓排氣。泄壓雖能緩解內(nèi)部壓力、避免徹底熱失控，但排出的氣體會(huì)進(jìn)入電池組密閉腔體。氫氣等可燃?xì)怏w聚集后，不僅會(huì)腐蝕電池外殼與內(nèi)部器件，還可能被引燃，進(jìn)而連鎖觸發(fā)其他電芯熱失控、連片起火。

傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)（BMS） 可監(jiān)測單電芯電壓、整組電壓、電流與溫度，以此保障安全運(yùn)行。但帕爾指出，絕大多數(shù) BMS無法監(jiān)測電芯泄壓排氣，也不能檢測電池組內(nèi)氫氣等有毒、可燃?xì)怏w；而電動(dòng)汽車與儲能系統(tǒng)電池組往往由幾十至上千顆電芯組成，存在監(jiān)管盲區(qū)。

氣體傳感器：未來電池安全的解決方案

IDTechEx 認(rèn)為，氫氣及其他氣體傳感器是解決上述痛點(diǎn)的理想方案。帕爾預(yù)測，到 2036 年，氣體傳感器在電池組高端傳感方案中的滲透率將超過 50%。

通過檢測氫氣、二氧化碳等危險(xiǎn)氣體，可提前預(yù)警熱失控。搭載氣體傳感器的 BMS，可比傳統(tǒng)傳感器提前 30 分鐘預(yù)判電池起火風(fēng)險(xiǎn)，而傳統(tǒng)手段僅能提前 5–10 分鐘預(yù)警，足以在險(xiǎn)情失控前介入處置。

同時(shí)還能實(shí)時(shí)監(jiān)測電池組腔體內(nèi)可燃?xì)怏w積聚，從源頭杜絕爆炸條件形成。

不同有毒、可燃?xì)怏w需要搭配對應(yīng)傳感器檢測；由于電解液汽化后會(huì)立刻產(chǎn)生氫氣，氫氣傳感器有望成為電動(dòng)汽車標(biāo)配安全器件之一。

氫氣傳感器多采用熱導(dǎo)式檢測原理：氫氣濃度越高，空氣整體熱導(dǎo)率越高。傳感器通過測算氣體熱損耗并與標(biāo)準(zhǔn)空氣參考值比對，即可精準(zhǔn)得出氫氣濃度。

Posifa 表示，PGS5100 專為電池組氫氣快速精準(zhǔn)檢測設(shè)計(jì)，測量量程 **0%–25%** 氫氣濃度；具備防凝露特性，且不與污染物發(fā)生反應(yīng)，可在惡劣工況下長期穩(wěn)定工作。

傳感器采用 IP6K9 高防護(hù)等級封裝，搭配車規(guī)級連接器，適用于電動(dòng)汽車電池安全系統(tǒng)、并網(wǎng)儲能電站、數(shù)據(jù)中心后備電池等對氫氣監(jiān)測要求嚴(yán)苛的場景。

除電池領(lǐng)域外，該傳感器也可用于氫燃料電池。目前數(shù)據(jù)中心正逐步部署氫燃料電池作為主備電源，其工作原理是利用氫氣與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。