我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。然而以熱失控為特點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。動力鋰電池安全性事故的常見形式及成因是什么？又該采取怎么樣的防范措施？

1.動力鋰電池安全性問題

鋰離子動力鋰電池事故重要表現為因熱失控帶來的起火燃燒。如表1和圖1所示。

圖1近年來部分鋰離子動力鋰電池事故

鋰離子動力鋰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）觸發鋰離子動力鋰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動力鋰電池系統安全性問題的層次

2.動力鋰電池安全性演變

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重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重要原因之一。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25Ah鋰離子動力鋰電池的熱失控機理。熱失控過程分為了7個階段。

圖4某款三元鋰離子動力鋰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鋰電池熱失控不同階段的機理

表2某款鋰離子動力鋰電池熱失控的分階段特點與機理

關于冒煙的情況，在階段V，假如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出現的氣體噴出，此時觀察到的會是白煙；反之則是黑煙。

關于起火的情況，引燃的重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。

關于爆炸的情況，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

根據觸發的特點，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條可能的重要路徑：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、新增成本等。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，動力鋰電池系統要全方位的事故防范措施與安全性監控措施。

1）鋰離子動力鋰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，動力鋰電池系統的安全性設計要考慮事故的演變、觸發與擴展等因素。還要關于各個部件的失效模式有清楚的認識。

3）動力鋰電池系統在運行過程中要進行妥善的管理，并關于可能的事故觸發傾向進行監測與預警。

6結論

動力鋰電池系統安全性問題重要分為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。