車用鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性剖析

中國(guó)“十二五”規(guī)劃大力支持以電動(dòng)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(shí)有發(fā)生，困擾著電動(dòng)汽車的發(fā)展。動(dòng)力電池安全性事故的常見(jiàn)形式及成因是什么？又該采取怎樣的防范措施？

1 動(dòng)力電池安全性問(wèn)題

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

圖1 近年來(lái)部分鋰離子動(dòng)力電池事故

鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性問(wèn)題表現(xiàn)為3個(gè)層次（圖2）。

1）電池系統(tǒng)安全性的“演變”。即電池系統(tǒng)長(zhǎng)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(dòng)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(diǎn)。

3）“擴(kuò)展”——熱失控帶來(lái)的向周圍傳播的次生危害。

圖2 動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性問(wèn)題的層次

2 動(dòng)力電池安全性演變

2.1 “演化”與“突變”

電池系統(tǒng)長(zhǎng)期老化帶來(lái)的可靠性降低，演化耗時(shí)長(zhǎng)，可以通過(guò)檢測(cè)電池系統(tǒng)的老化程度來(lái)評(píng)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(cè)，但是可以通過(guò)既有事故的形式來(lái)改進(jìn)電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.2 安全性演化機(jī)理

電池系統(tǒng)任何部件的老化都可能帶來(lái)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(zhǎng)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(huì)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(zhǎng)與隔膜的刺穿

3 電池安全事故觸發(fā)

3.1 熱失控機(jī)理

經(jīng)過(guò)演變過(guò)程，電池事故將會(huì)進(jìn)入“觸發(fā)”階段。一般在這之后，電池內(nèi)部的能量將會(huì)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(huì)同時(shí)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(jī)理。