動(dòng)力電池安全性因素探究

在新能源汽車領(lǐng)域，動(dòng)力電池由于具備相對較高的能量密度、輸出功率等特點(diǎn)得到越來越廣泛的應(yīng)用。但鋰離子動(dòng)力電池的性能及壽命會(huì)隨著不斷地使用而衰減，更重要的是在不同的使用環(huán)境下會(huì)有不同的狀況。比如在寒冷低溫下容易出現(xiàn)比容量低、衰減嚴(yán)重等現(xiàn)象，高溫下存在熱失控導(dǎo)致自燃自爆的隱患。

這些潛在的安全隱患造成新能源汽車消費(fèi)者的信心不足。因此對鋰離子動(dòng)力電池安全性進(jìn)行重視并進(jìn)行研究改進(jìn)是十分必要的，有助于降低電池的安全隱患和發(fā)生事故的頻率，減少或避免動(dòng)力電池出現(xiàn)安全問題時(shí)造成的危害。

簡單來說，鋰離子動(dòng)力電池主要由正極、負(fù)極、隔膜、電解液、電池外殼等構(gòu)成。若按正極材料來分，主要分為鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰以及鎳鈷錳酸鋰三元材料等。按電芯的結(jié)構(gòu)形狀來分，主要分為圓柱和方形以及軟包這三種。

不同材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電池優(yōu)缺點(diǎn)都十分明顯，因此鋰離子動(dòng)力電池安全與電池材料性質(zhì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有密切的關(guān)系，另外與電池制備技術(shù)和使用環(huán)境緊密相關(guān)。從鋰離子動(dòng)力電池的生產(chǎn)到最后的應(yīng)用來看，影響鋰離子動(dòng)力電池安全性的因素貫穿在電芯的材料選擇和設(shè)計(jì)生產(chǎn)、模組的集成和使用環(huán)境整個(gè)過程中。

（1）電芯材料選擇和評估

電芯的性質(zhì)和安全在很大程度上由電芯材料的選用決定，如果在選用電芯材料時(shí)沒有對原材料進(jìn)行深入的評估，必然會(huì)在第一階段就造成電芯安全性的不足。

電池的比容量和比能量主要由正極材料決定，更重要的是其安全性受正極材料的本征電極電勢影響，比如磷酸鐵鋰和三元的安全性差異。因此需要通過對電芯材料種類進(jìn)行選擇和元素?fù)诫s來改善，盡量選擇電位和電解液電化學(xué)窗口相匹配的、反應(yīng)放熱較少的材料，用以提高電芯安全性。

負(fù)極活性材料對安全性能的影響主要來自于鋰枝晶的生長和電解液的反應(yīng)。在快充的過程中，一旦鋰離子通過SEI膜的速度比鋰沉積在負(fù)極上的速度慢，鋰的枝晶會(huì)隨著充放電循環(huán)而不斷生長，可能導(dǎo)致內(nèi)部短路而造成電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)以致熱失控。因此通過改善SEI膜的熱穩(wěn)定性可以提高電芯的安全性。

電解液通常使用的溶劑為有機(jī)碳酸酯類化合物，它們化學(xué)性能活潑且極易燃燒。正極材料處于充電態(tài)時(shí)為強(qiáng)氧化性，而處于強(qiáng)氧化性狀態(tài)下的正極材料穩(wěn)定性一般較差，很容易釋放出氧氣，而碳酸酯極易與氧氣反應(yīng)，放出大量的熱和氣體。一旦出現(xiàn)熱失控后產(chǎn)生熱量會(huì)進(jìn)一步加速正極的分解，產(chǎn)生更多的氧氣，促進(jìn)更多放熱反應(yīng)的進(jìn)行。

電池隔膜

隔膜的主要作用是將電池的正、負(fù)極分隔開，起到關(guān)閉和阻斷通道的功能，可以讓鋰離子自由通過，而電子不能通過。一旦隔膜出現(xiàn)破裂等情況將會(huì)造成正負(fù)極接觸短路導(dǎo)致熱失控，因此對隔膜的機(jī)械強(qiáng)度、孔隙率、厚度均一性和耐溫提出了很高的要求。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝

鋰離子動(dòng)力電池的安全性也與電池的結(jié)構(gòu)構(gòu)造有較大關(guān)系，尤其電池容量和大小對電池的安全性有重要影響。容量高的電池通常放熱量較大，而體積大的電池其散熱相對困難，熱量更容易被累積，從而出現(xiàn)熱失控的概率更大。

為保證鋰離子電池在使用過程中不出現(xiàn)問題，都會(huì)在鋰電池電池殼表面設(shè)置安全閥，以防內(nèi)部壓力過高。在電芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在很多引發(fā)內(nèi)短路的潛在危險(xiǎn)部位，因此應(yīng)該在這些關(guān)鍵位置設(shè)置必要的措施或者絕緣，以防止在異常情況下發(fā)生電池內(nèi)短路。

電芯生產(chǎn)制造工藝基本步驟分為混料、涂布、輥壓、裁片、卷繞或疊層、極耳焊接、注液、封口、化成、排氣、分容等，在每一個(gè)步驟都有可能由于操作工藝不當(dāng)造成電芯的安全性問題。

在電芯原材料檢測階段，如果不嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)或生產(chǎn)時(shí)環(huán)境差，很容易導(dǎo)致電芯中混入雜質(zhì)，對電池的安全性有很大的影響。另外，電解液中如果混入了較多的水分，可能就會(huì)發(fā)生副反應(yīng)而增大電池內(nèi)壓，對安全造成影響。在電芯的生產(chǎn)過程中，由于工藝水平的限制使得電池極板厚度、微孔率、活性物質(zhì)的活化程度等存在微小差別。

這種電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的不一致性就會(huì)使同一批次出廠的同一型號(hào)電池的電壓、容量、內(nèi)阻等不可能完全一致。產(chǎn)品無法達(dá)到良好的一致性，都可能會(huì)對電芯的安全性帶來不利的影響。

（3）外部環(huán)境和使用條件

新能源汽車在使用過程中的環(huán)境是不斷變化的，一旦發(fā)生碰撞，電池系統(tǒng)將承受巨大的沖擊載荷，并且可能受到擠壓、穿刺等損壞，嚴(yán)重的造成電池的燃燒、爆炸等危險(xiǎn)。另外一方面長期在路面上顛簸，容易導(dǎo)致電池固定松動(dòng)，造成一些機(jī)械性的傷害和連接件的松動(dòng)導(dǎo)致的一些問題。

動(dòng)力電池使用環(huán)境復(fù)雜

電池箱外殼作為電池的第一防護(hù)層，防水等級(jí)需達(dá)到IP67。在不影響防水等級(jí)的基礎(chǔ)上同時(shí)必須具備散熱系統(tǒng)，以保證密閉空間內(nèi)的溫度不至過高，有效地保護(hù)電池的安全和使用壽命。其結(jié)構(gòu)必須保證在大容量的容納空間基礎(chǔ)上滿足足夠的強(qiáng)度，以保證在非正常情況下的碰撞下保護(hù)里面的電池不受大力擠壓。

除了在電芯制造過程中注意和外部保護(hù)條件之外，對BMS 的管理功能同樣提出很高的要求。BMS主要檢測電池的狀態(tài)以及電池組中各單體電池的狀態(tài)，并根據(jù)電池（組）的狀態(tài)對電池（組）進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂撇呗哉{(diào)整，可以接受上層控制模塊的控制信息并做出必要的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對動(dòng)力電池（組）的充放電管理以保證動(dòng)力電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。因此功能全面的BMS可以提高動(dòng)力電池在使用過程中的安全可靠性。

總結(jié)

鋰離子動(dòng)力電池的安全性能，決定了其在新能源汽車領(lǐng)域的市場和未來。為了保證新能源汽車的安全，各個(gè)企業(yè)需要不斷通過改進(jìn)工藝和技術(shù)提高鋰電池電芯的安全性，需要針對動(dòng)力電池系統(tǒng)不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)分析。另外，使用者同樣需要要、正確使用動(dòng)力電池系統(tǒng)，杜絕機(jī)械濫用、熱濫用和電濫用以保證電池的安全可靠性。