車用鋰離子電池是混合動力汽車及電動汽車的動力鋰電池，由于鎳氫電池的一些技術(shù)性能如能量密度、充放電速度等已經(jīng)接近到理論極限值，鋰離子電池由于能量密度高、容量大、無記憶性等優(yōu)點，得到汽車廠商與電池生產(chǎn)廠商的一致認可，目前各國研發(fā)的重點是鋰離子電池。

我國十二五規(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)。然而以熱失控為特點的鋰離子電池系統(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?小編帶你一覽要點。

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(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)生的鋰離子動力鋰電池事故

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(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)鋰離子動力鋰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動力鋰電池系統(tǒng)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(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重要表現(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(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(dāng)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?zé)崾Э貙嶒灁?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鋰電池?zé)崾Э夭煌A段的機理

表2某款鋰離子動力鋰電池?zé)崾Э氐姆蛛A段特點與機理

關(guān)于冒煙的情況，在階段V，假如電池內(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)出現(xiàn)的氣體噴出，此時觀察到的會是白煙;反之則是黑煙。

關(guān)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(yīng)。

關(guān)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)的特點，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?zhǔn)椒磻?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條可能的重要路徑：1)相鄰電池殼體之間的導(dǎo)熱;2)通過電池極柱的導(dǎo)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(dǎo)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(dāng)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、新增成本等。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，動力鋰電池系統(tǒng)要全方位的事故防范措施與安全性監(jiān)控措施。

1)鋰離子動力鋰電池在大規(guī)模生產(chǎn)銷售之前，必須要通過相關(guān)的安全性測試標(biāo)準(zhǔn)的認證。

2)以防范熱失控事故為核心，動力鋰電池系統(tǒng)的安全性設(shè)計要考慮事故的演變、觸發(fā)與擴展等因素。還要關(guān)于各個部件的失效模式有清楚的認識。

3)動力鋰電池系統(tǒng)在運行過程中要進行妥善的管理，并關(guān)于可能的事故觸發(fā)傾向進行監(jiān)測與預(yù)警。

6結(jié)論

動力鋰電池系統(tǒng)安全性問題重要分為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。