車用鋰離子動力電池系統(tǒng)的安全性剖析

中國“十二五”規(guī)劃大力支持以電動汽車為主的新能源汽車新興產(chǎn)業(yè)。然而以熱失控為特征的鋰離子電池系統(tǒng)的安全性事故時有發(fā)生，困擾著電動汽車的發(fā)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？小編帶你一覽要點。

1 動力電池安全性問題

鋰離子動力電池事故主要表現(xiàn)為因熱失控帶來的起火燃燒。如表1和圖1所示。

表1 近年發(fā)生的鋰離子動力電池事故

圖1 近年來部分鋰離子動力電池事故

鋰離子動力電池系統(tǒng)安全性問題表現(xiàn)為3個層次（圖2）。

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

2）“觸發(fā)”——鋰離子動力電池從正常工作到發(fā)生熱失控與起火燃燒的轉(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的老化程度來評估電池系統(tǒng)安全性的變化;相比而言安全性突變難以預(yù)測，但是可以通過既有事故的形式來改進電池系統(tǒng)的設(shè)計。

2.2 安全性演化機理

電池系統(tǒng)任何部件的老化都可能帶來安全事故的觸發(fā)，如事故1、7。除此之外，電池本身的安全性演化主要表現(xiàn)為內(nèi)短路的發(fā)展。電池內(nèi)部的金屬枝晶生長是造成內(nèi)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(fā)生熱失控。

圖3 鋰離子電池內(nèi)部金屬枝晶的生長與隔膜的刺穿

3 電池安全事故觸發(fā)

3.1 熱失控機理

經(jīng)過演變過程，電池事故將會進入“觸發(fā)”階段。一般在這之后，電池內(nèi)部的能量將會在瞬間集中釋放造成熱失控，引發(fā)冒煙、起火與爆炸等現(xiàn)象。當然電池安全事故中，也可能不發(fā)生熱失控，熱失控后的電池不一定會同時發(fā)生冒煙、起火與爆炸，也可能都不發(fā)生，這取決于電池材料發(fā)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(zhì)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(shù)據(jù)（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(nèi)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(yīng)產(chǎn)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(yīng)。

對于爆炸的情況，必備的條件是電池內(nèi)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(guān)鍵。

3.2 事故觸發(fā)的分類

根據(jù)觸發(fā)的特征，可以分為機械觸發(fā)、電觸發(fā)和熱觸發(fā)3類。

圖6 事故觸發(fā)的分類

4 熱失控在電池系統(tǒng)內(nèi)的擴展

4.1 熱失控擴展的危害

熱失控觸發(fā)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(fā)生鏈式反應(yīng)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(tǒng)設(shè)計的矛盾

措施：

1）防止火焰的發(fā)生。設(shè)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(tǒng)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(shè)置隔熱層。

4）增強電池系統(tǒng)內(nèi)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(shè)計與電池系統(tǒng)的其他功能設(shè)計存在一定的矛盾，如加劇內(nèi)部溫度不均、降低比能量、增加成本等。協(xié)調(diào)此矛盾是電池系統(tǒng)安全性設(shè)計的重要議題之一。

5 電池事故防范與安全性監(jiān)控

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

1）鋰離子動力電池在大規(guī)模生產(chǎn)銷售之前，必須要通過相關(guān)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(tǒng)的安全性設(shè)計需要考慮事故的“演變”、“觸發(fā)”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(tǒng)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(fā)傾向進行監(jiān)測與預(yù)警。

6 結(jié)論

動力電池系統(tǒng)安全性問題主要分為3個層次，即“演變”、“觸發(fā)”與“擴展”。從這三個層次出發(fā)，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(jiān)控措施，是下一步研究的工作重點。

注：本文整理自科技導報2016，34（6）。由新能源前線 蒜頭 編輯整理