鋰離子動力電池的安全問題研究

自今年夏季以來,國內(nèi)電動汽車起火事故頻發(fā),僅8、9月兩月發(fā)生的電動汽車起火事故數(shù)量就已超過2017年全年電動汽車起火事故總和,在國內(nèi)電動汽車迅速增長的大環(huán)境下,電動汽車安全事故發(fā)生的背后暴露的是當(dāng)前電池企業(yè)和主機廠都在追求更高的能量密度以獲得更多的補貼,卻忽視了動力電池最根本的安全屬性的問題,而近期頻繁的事故出現(xiàn),理應(yīng)為國內(nèi)追求高速發(fā)展的電動汽車行業(yè)敲響警鐘。

1-8月國內(nèi)事故的相關(guān)統(tǒng)計

據(jù)公開資料顯示,2018年上半年(1-6月)新能源電池車國內(nèi)共發(fā)生8次起火事故,與2017年基本持平,其中5月之后的事故占7起,說明新能源汽車起火主要集中在夏季。從成型及品牌來看,特斯拉、江鈴等國內(nèi)外純電動汽車均榜上有名。然而,據(jù)最新資料顯示,進入8月和9月以來,公開起火事件已經(jīng)多達(dá)12起,這一數(shù)字遠(yuǎn)高于2016、2017年一整年的公開起火數(shù)量。由于電動汽車起火的原因主要是電池過熱,熱量無法及時散出而造成的電池高溫起火,因而在高溫、暴雨等天氣頻繁地的夏季多發(fā)也在情理之中。

以上半年的事故數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),從起火原因來看,因充電導(dǎo)致的起火事故共5起,占比50%之多,成為起火事故的第一誘因;其次是碰撞起火和行駛中自燃各兩起,各占20%。從車輛狀態(tài)來看,靜置和充電為一類,電池在靜置和使用中都有可能發(fā)生起火事故。

鋰離子電池起火的原因分析

作為純電動汽車的能量來源,鋰離子電池起火的主要原因主要是電池過熱而造成的熱失控,這種過熱在電池充放電過程中最容易發(fā)生。由于鋰離子電池自身具有一定的內(nèi)阻,在輸出電能為純電動提供動力的同時會產(chǎn)生一定的熱量,使得自身溫度變高,當(dāng)自身溫度超出其正常工作溫度范圍間時將會損害整個電池的壽命和安全。純電動汽車中,動力電池系統(tǒng)是由多個動力電池單體電芯構(gòu)成,在工作過程中產(chǎn)生大量的熱聚集在狹小的電池箱體內(nèi),如果熱量不能夠及時地快速散出,高溫會影響動力電池壽命甚至出現(xiàn)熱失控,從而引發(fā)起火爆炸等事故。從原理上說熱失控的原因主要有以下四個方面:

(1) 機械濫用

主要發(fā)生在汽車碰撞時,由于外力的作用,鋰電池單體、電池組發(fā)生變形,自身不同部位發(fā)生相對位移,導(dǎo)致電池隔膜被撕裂并發(fā)生內(nèi)部短路; 易燃電解質(zhì)泄漏最終引發(fā)起火。在機械濫用中,穿刺傷害最為嚴(yán)重,它可能會導(dǎo)體插入電池本體,造成正負(fù)極直接短路。相比之下,碰撞、擠壓等,只是概率性的發(fā)生內(nèi)短路,穿刺過程熱量的生成更加劇烈,引發(fā)熱失控的概率更高。

(2)電濫用

電濫用主要是對電池的使用不當(dāng)造成的,有外部短路、過度充電和過度放電幾種類型。其中,過渡放電導(dǎo)致的危害最小,但是由于過放造成的銅枝晶的增長會降低電池的安全性從而增加熱失控的幾率。外部短路是在兩個存在壓差的導(dǎo)體在電芯外部接通導(dǎo)致的結(jié)果,當(dāng)外部短路發(fā)生時,電池產(chǎn)生的熱量無法很好的散去時,電池溫度也會隨之上升,高溫觸發(fā)熱失控。

過度充電是電濫用中危害最高的一種。由于過量的鋰嵌入,鋰枝晶在陽極表面生長。其次,鋰的過度脫嵌導(dǎo)致陰極結(jié)構(gòu)因發(fā)熱和氧釋放而崩潰(NCA陰極的氧釋放)。氧氣的釋放加速了電解質(zhì)的分解,產(chǎn)生大量氣體。由于內(nèi)部壓力的增加,排氣閥打開,電池開始排氣。電芯中的活性物質(zhì)與空氣接觸以后,發(fā)生劇烈反應(yīng),放出大量的熱,從而引發(fā)電池包的燃燒起火。

(3)熱濫用

熱濫用主要指在電池中的局部過熱,很少獨立存在,往往是通過機械濫用和電氣濫用發(fā)展而來,并且是最終直接觸發(fā)熱失控等事故的一種情況。熱濫用一般多為外部環(huán)境高或者在溫度控制系統(tǒng)不起作用下導(dǎo)致的電池?zé)崃窟^高從而造成的短路,從而引發(fā)熱失控。從原因上說,熱濫用的原因是最為復(fù)雜的,電池包的碰撞、損壞,電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、性能或是其他熱管理系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)的失靈都可能導(dǎo)致熱濫用的發(fā)生。

(4)內(nèi)部短路

內(nèi)部短路是由電池的正負(fù)極直接接觸,當(dāng)然接觸的程度不同,引發(fā)的后續(xù)反應(yīng)也差別很大,通常由機械和熱量濫用引起的大規(guī)模內(nèi)部短路將直接導(dǎo)致熱濫用。引發(fā)內(nèi)部短路原因同樣復(fù)雜,比如鋰離子電池過度充電,枝晶積累到一定程度導(dǎo)致刺穿電池隔膜,從而發(fā)生內(nèi)部短路 或是碰撞、穿刺傷害之后直接導(dǎo)致正負(fù)極接觸而導(dǎo)致熱失控。與外部因素產(chǎn)生的內(nèi)部短路相比,源于電池制造過程中自發(fā)的缺陷而引起的內(nèi)部短路,程度比較輕微,先天內(nèi)部短路產(chǎn)生的熱量很少,并不會立即觸發(fā)熱失控。而且這種內(nèi)在缺陷會經(jīng)過一段時間才會演化為程度較輕的內(nèi)短路。

解決動力電池?zé)崾Э氐闹饕椒?/strong>

針對鋰離子電池?zé)崾Э氐那闆r,目前國內(nèi)主流的解決方法主要從外部保護和內(nèi)部改進兩個方面進行改進。外部保護主要是指系統(tǒng)方面的升級改進,內(nèi)部改進是指針對電池本身進行提高。

(1)冷卻方式的提升

熱管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)控制溫度,確保電池一直處在一個合理的運行溫度下。通常,熱管理系統(tǒng)由整車控制器控制,在電池包溫度異常時,通過空調(diào)系統(tǒng)進行及時散熱或者加熱,保證電池安全以及壽命。電池的散熱方式根據(jù)導(dǎo)熱方式和介質(zhì)的不同而分為四項:空氣冷卻(風(fēng)冷)、液體冷卻(水冷)、相變材料(固體)、和結(jié)合冷卻(風(fēng)冷/水冷 + 固體冷卻)幾種。

(2)內(nèi)部材料及結(jié)構(gòu)的改進

內(nèi)部改進即從電芯內(nèi)部的材料結(jié)構(gòu)上進行改造,從而使電池具備更好的耐熱、散熱性能。以目前的研究熱點來說,發(fā)展固態(tài)電解液;對正負(fù)極進行結(jié)構(gòu)改造;以及引入安全性更高的隔膜材料都是從內(nèi)部提升電池?zé)嵝阅艿闹髁鞣椒ㄖ弧?/p>