車用鋰離子動力電池系統的安全性剖析_動力電池事故主要原因

　　金戈新材一直關注新能源汽車的發展動向，針對電動汽車的充電樁，動力電池的導熱散熱性都在不斷深入研究，為新能源汽車的安全性得到更好的提高。

　　中國“十二五”規劃大力支持以電動汽車為主的新能源汽車新興產業。然而以熱失控為特征的鋰離子電池系統的安全性事故時有發生，困擾著電動汽車的發展。動力電池安全性事故的常見形式及成因是什么？又該采取怎樣的防范措施？

　　1 動力電池安全性問題

圖1 近年來部分鋰離子動力電池事故

　　鋰離子動力電池事故主要表現為因熱失控帶來的起火燃燒。如表1和圖1所示。

　　鋰離子動力電池系統安全性問題表現為3個層次（圖2）。

　　1）電池系統安全性的“演變”。即電池系統長期老化——“演化”（事故1、2、3、5、7）和突發事件造成電池系統損壞——“突變”（事故4、6）。

　　2）“觸發”——鋰離子動力電池從正常工作到發生熱失控與起火燃燒的轉折點。

　　3）“擴展”——熱失控帶來的向周圍傳播的次生危害。

圖2 動力電池系統安全性問題的層次

　　2 動力電池安全性演變

　　2.1 “演化”與“突變”

　　電池系統長期老化帶來的可靠性降低，演化耗時長，可以通過檢測電池系統的老化程度來評估電池系統安全性的變化；相比而言安全性突變難以預測，但是可以通過既有事故的形式來改進電池系統的設計。

　　2.2 安全性演化機理

　　電池系統任何部件的老化都可能帶來安全事故的觸發，如事故1、7。除此之外，電池本身的安全性演化主要表現為內短路的發展。電池內部的金屬枝晶生長是造成內短路的主要原因之一。值得一提的是，老化電池的能量密度降低，熱失控造成的危害可能會降低；另一方面老化電池更容易發生熱失控。

圖3 鋰離子電池內部金屬枝晶的生長與隔膜的刺穿

　　3 電池安全事故觸發

　　3.1 熱失控機理

　　經過演變過程，電池事故將會進入“觸發”階段。一般在這之后，電池內部的能量將會在瞬間集中釋放造成熱失控，引發冒煙、起火與爆炸等現象。當然電池安全事故中，也可能不發生熱失控，熱失控后的電池不一定會同時發生冒煙、起火與爆炸，也可能都不發生，這取決于電池材料發生熱失控的機理。

　　圖4、圖5與表2展示了某款具有三元正極/PE基質的陶瓷隔膜/石墨負極的25 A·h鋰離子動力電池的熱失控機理。熱失控過程分為了7個階段。

圖4 某款三元鋰離子動力電池熱失控實驗數據（實驗儀器為大型加速絕熱量熱儀，EV-ARC）

圖5 某款三元鋰離子動力電池熱失控不同階段的機理

表2 某款鋰離子動力電池熱失控的分階段特征與機理

　　對于冒煙的情況，在階段V，如果電池內部溫度低于正極集流體鋁箔的熔化溫度660℃，電池正極涂層就不會隨著反應產生的氣體噴出，此時觀察到的會是白煙；反之則是黑煙。

　　對于起火的情況，引燃的主要原因是噴出的氣體溫度高于其閃點，電解液氣體與氧氣劇烈反應。

　　對于爆炸的情況，必備的條件是電池內部具有高壓氣體積聚，安全閥則是及時釋放高壓積聚氣體的關鍵。

　　3.2 事故觸發的分類

　　根據觸發的特征，可以分為機械觸發、電觸發和熱觸發3類。

圖6 事故觸發的分類

　　4 熱失控在電池系統內的擴展

　　4.1 熱失控擴展的危害

　　熱失控觸發后，局部單體熱失控后釋放的熱量向周圍傳播，將可能加熱周圍電池并造成周圍電池的熱失控，從而發生鏈式反應造成極大的危害。

　　4.2 熱失控擴展的機理

　　熱失控擴展過程中的熱量傳遞有3條可能的主要路徑：1）相鄰電池殼體之間的導熱；2）通過電池極柱的導熱；3）單體電池起火對周圍電池的炙烤。

圖7 熱失控擴展的幾條可能路徑

     4.3 防范熱失控擴展與電池系統設計的矛盾

　　措施：

　　1）防止火焰的發生。設計閥體的噴射方向引導火焰的生成方向；加入滅火劑；保證密封性。

　　2）考慮高溫氣體擴散對電池系統其他部件的影響，及時排出高溫氣體。

　　3）適當阻隔電池之間的傳熱路徑，如在單體電池之間設置隔熱層。

　　4）增強電池系統內部的散熱；將故障電池周圍的電池進行放電；在電池之間填充相變材料吸收熱量等方法來抑制熱失控的擴展。

　　矛盾：

　　防范熱失控擴展的設計與電池系統的其他功能設計存在一定的矛盾，如加劇內部溫度不均、降低比能量、增加成本等。協調此矛盾是電池系統安全性設計的重要議題之一。

　　5 電池事故防范與安全性監控

　　除熱失控擴展的防范之外，動力電池系統需要全方位的事故防范措施與安全性監控措施。

　　1）鋰離子動力電池在大規模生產銷售之前，必須要通過相關的安全性測試標準的認證。

　　2）以防范熱失控事故為核心，動力電池系統的安全性設計需要考慮事故的“演變”、“觸發”與“擴展”等因素。還要對于各個部件的失效模式有清楚的認識。

　　3）動力電池系統在運行過程中需要進行妥善的管理，并對于可能的事故觸發傾向進行監測與預警。

　　6 結論

　　動力電池系統安全性問題主要分為3個層次，即“演變”、“觸發”與“擴展”。從這三個層次出發，深入研究各個層次的機理及其演變過程，提出有效的事故防范措施和安全性監控措施，是下一步研究的工作重點。

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