自 20 世纪 90 年代初投入商业使用以来，锂离子电池的性能得到了显著提升。美国能源部 (DOE) 车辆技术办公室 (VTO) 估计，2008 年至 2020 年间，锂离子电池组的能量密度将增加 8 倍。

当电池储存更多能量时，它们在热失控事件中会释放更多能量。在电池组紧密排列的情况下，一个电池发生热失控事件会导致相邻电池升温并释放能量——这种连锁反应会产生爆炸性的后果。

Forge Nano 的 Atomic ArmorTM 涂层使电池制造商能够使用更高能量的材料来制造电池，而不必担心增加热失控事件，这应该会减少较大电池组中的热传导。

为了测试这种传导阻力，Forge Nano 与美国先进电池系统架构制造商 Acculon Energy 合作，在两种类型的电池模块中测试其 21700 电池。

PART 01. 实验设置

Forge Nano 的 21700 电池由两个不同的电池模块构成，一个由注塑 ABS 塑料制成，另一个由膨胀型热塑性塑料制成，以确认多模块结构中的抗扩散性。测试旨在比较两个模块模型与阳极中使用 SiOx-石墨的高镍 NMC 电池的热失控抗性。

Forge Nano 电池采用 9P4S（9 个电池并联，4 个电池串联）配置，通过超声波引线接合技术用铝线连接。其中一个电池配备了电阻加热器，而所有电池都配备了热电偶，以监测测试期间的温度变化。

热失控测试前的膨胀壳体模块

使用恒流恒压（CCCV ）模式逐串将模块充满电，电压最高可达 4.4V。测试前，模块在 60°C 下加热一夜。失控测试期间的电池加热功率手动调整，以保持 10 °C/分钟的加热速率。

每次测试前，都会测量开路电压 (OCV) 和温度。处理模块和连接线路后，模块温度下降约 10-15 度（取决于模块）至约 44-49°C。

 TR 测试前的模块电压

PART 02. 模块 1 结果 – 注塑 ABS 塑料

测试开始时，配备电阻加热器的单电池温度被推至 180°C，导致热失控。热失控开始时记录的温度比李航等人在《应用热工程》上发表的一项关于富镍/硅石墨锂离子电池热稳定性的研究高出约 30°C 。电池很快达到约 400°C，然后排出大部分电池内部活性组分。

热失控没有传导到其他电芯，这可以从邻近电芯温度适度增加中看出。

注塑 ABS 模块热失控测试温度数据

Acculon 的分析表明，电池活性物质的溶出可能是造成传导阻力的根本原因。计划进行进一步测试。

PART 03. 模块2结果 – 膨胀型热塑性塑料

对于第二项测试，配备电阻加热器的单电池被推至 170°C 的起始温度，导致热失控。同样，这个起始温度高于李航等人对类似电池的分析中看到的 150°C。电池很快达到约 550°C（明显高于 ABS 模块测试期间达到的温度，但低于对高镍 LG 18650 电池进行的类似测试），然后冷却到略高于 100°C，这与电池的活性物质未从电池中排出的事实一致。

电池失控遵循与 ABS 模块类似的模式，这是高能电池化学反应所预期的。

仪表模块热失控电池测试后的外观

Acculon 报告称，膨胀材料吸收了部分热能，导致膨胀。热能事件发生后，附近电池的最高温度达到 89.5°C，远低于热失控发生的温度。未观察到热能向其他电池的传导。

膨胀壳体模块热失控测试温度数据

PART 04. 结论

用单电池加热器引起电池热失控并进行测试，ALD涂层处理的电池没有发现热失控温度条件下的热传导，这对 Forge Nano 电池配方来说是一个振奋人心的结果。在第一次模块测试中，被推至热失控的 Forge Nano 电池最高温度达到 400°C，而第二次测试最高温度达到 550°C。采用 Atomic ArmorTM 涂层材料的 Forge Nano 电池产生的热量减少可能是消除模块传导的一个因素。需要进一步调查才能得出确切的结论，这计划在未来的模块构建中进行。

自 2011 年成立以来，Forge Nano 已经提高了各种高能电池材料的性能和耐用性。为了展示利用 Forge Nano 增强材料的电池级改进，该公司内部构建和测试了各种电池配方。

与 Acculon 的合作使 Forge Nano 能够扩展其安全测试能力。Forge Nano 打算继续研究Atomic ArmorTM 涂层，结合行业标准和下一代电池组构造方法，以确保利用 Forge Nano 技术的电池具有最高安全性。   

关于 Forge Nano 

Forge Nano 专注于粉末原子层沉积技术（PALD)，凭借其专有的 Atomic Armor™ 技术，能够使产品开发人员设计任何材料直至单个原子。Atomic Armor™ 工艺生产的表面涂层使合作伙伴能够释放材料的较佳性能，实现延长寿命、提高安全性、降低成本和优化产品的功能。其科学家团队与广泛的商业合作伙伴合作开发定制解决方案，能够满足任何规模的任何需求，包括从小规模研发和实验室级别到工业规模、大批量生产。

Forge Nano PALD 商业化路线

参考文献

【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,