特斯拉自燃了，但對電池熱失控并非不設防

4月21日，一輛特斯拉Model S在上海地下車庫發(fā)生自燃，自燃的視頻在網(wǎng)絡上迅速傳播。很多媒體強調(diào)：“從冒煙到起火只有4秒，根本來不及逃生”。這讓很多人覺得，電動汽車非常不安全。而且這么多電池，一旦一個電池故障，整輛車和車內(nèi)的人就都危在旦夕。

其實，如果單個電芯或者部分電芯故障，并且發(fā)熱甚至燃燒的情況，在動力電池電芯、模組、系統(tǒng)的設計和制造過程中，是有所考慮并且防護的。

本文嘗試為大家做一個解讀。

1、什么是熱失控

先說什么叫熱失控，根據(jù)標準《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求》里的定義，熱失控指的是電池單體放熱連鎖反應引起的電池自溫升速率急劇變化的過熱、起火、爆炸現(xiàn)象。

新能源汽車的動力電池系統(tǒng)一般主要由電池模組、電池管理系統(tǒng)BMS、熱管理系統(tǒng)以及一些電氣和機械系統(tǒng)等構成。

整車廠、或者動力電池系統(tǒng)的廠商，在設計生產(chǎn)電池系統(tǒng)時，要考慮多重因素。

為了便宜，他們希望電池系統(tǒng)成本低；為了車跑得遠，續(xù)航里程長，他們希望能量密度高；為了安全，他們希望電池系統(tǒng)安全性高。這些都是新能源汽車能否大規(guī)模推廣應用的重要因素。但是，遺憾的是，往往這幾個因素之間是互相約束的，你不可能什么都追求極端。

我們可以看看下圖。為了追求更長的續(xù)航里程，我們不得不用能量密度越來越高的電池：從鉛酸電池、鎳鎘電池，到磷酸鐵鋰、三元電池，而且是能量密度越來越高的三元電池。

來源：論文Thermalrunaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles： A review

但是，能量密度越高的電池，熱穩(wěn)定性就更低。因此，為了能用好這些高能量密度的電池，安全性也得到了進一步地重視。

最主要的，就是防范熱失控。動力鋰離子電池在過充放電、針刺、碰撞情況下，都有可能引起連鎖放熱反應，造成熱失控，形成冒煙、失火甚至爆炸等。

除了以上這些極端情形，常規(guī)情況下電池也會產(chǎn)生熱量，散熱設計不好，也可能導致熱失控。

單個電池（即電芯）由于其自身有一定的內(nèi)阻，在充放電的同時，就會產(chǎn)生一定的熱量，使得自身溫度變高。當自身溫度超出其正常工作溫度范圍間時，電池的性能和壽命會受到影響。

除了電芯自身產(chǎn)生的熱量，還有來自環(huán)境——也就是電芯所在的動力電池系統(tǒng)的熱量。

系統(tǒng)在不同的應用工況下的工作過程中，也會產(chǎn)生大量的熱，聚集在狹小的電池箱體內(nèi)。熱量如果不能夠及時地快速散出，也會影響系統(tǒng)內(nèi)的電池壽命，甚至出現(xiàn)熱失控，導致電芯起火爆炸等。

特斯拉的車型，以長續(xù)航里程為特點，也是不斷提高電芯能量密度實現(xiàn)的。

目前特斯拉所采用的三元NCA電芯，由于能量密度高，在針刺測試時，會劇烈燃燒，和其他電芯比，自然不算好。而且從材料性質(zhì)上來看，三元電池的分解溫度要低于磷酸鐵鋰，在同樣的高溫環(huán)境下，發(fā)生熱失控的幾率要高于磷酸鐵鋰。因此，特斯拉電池熱失控的原因，可以從電芯本身和外部環(huán)境兩塊來看。后者對前者又會有一定的影響。

2、熱失控的產(chǎn)生原因

特斯拉這起自燃不是第一起電動汽車起火，也不會是最后一起。

從這幾年發(fā)生的電動汽車的安全事故來看，原因主要集中在外部撞擊形成針刺擠壓或者密封失效浸水，高溫環(huán)境下熱集中和過充放電過程，電芯本身漏液等，伴隨電芯內(nèi)部的短路造成熱失控。在研究電動汽車自燃案例過程中，可以看到充放電原因造成的熱失控不在少數(shù)。

鋰離子動力電池在發(fā)生熱失控的過程中，隨著溫度不斷升高將會依次經(jīng)歷以下的過程，并不是一個瞬間就完成的過程：高溫容量衰減→SEI 膜分解→負極－電解液反應→隔膜熔化過程→正極分解反應→電解質(zhì)溶液分解反應→負極與粘接劑反應→電解液燃燒等。

圖來自馮旭寧博士論文

從鋰離子電池單體的構成部分來看，熱失控的可能原因主要出現(xiàn)在電解液、正負電極材料的熱穩(wěn)定性能上。比如鋰離子電池在充電時，金屬鋰的表面會沉積枝杈狀鋰枝晶，積累到一定程度就會刺穿電池隔膜，造成正負極直接接觸而短路導致熱失控。再比如，過充時，鋰離子會從正極溢出與電解液溶劑發(fā)生反應產(chǎn)生熱量。熱量會反過來繼續(xù)加熱電池觸發(fā)金屬鋰與溶劑、嵌鋰碳與溶劑混合反應，在極小空間內(nèi)產(chǎn)生無法立即排出的熱量與氣體，于是電池爆炸。

為了防止熱失控，要對電芯、模組、系統(tǒng)都做隔熱防控，但是電芯和模組級別的隔熱防控，此前并沒有被業(yè)界過多關注。因此，在電池系統(tǒng)的整體設計中，就必須考慮電芯單體和電池模塊所在位置的溫度環(huán)境的影響。在設計電池模塊排列時，若單體電池或者模組之間排列緊湊，且沒有散熱和隔熱措施的話，電池組在充放電時溫度會急劇上升帶來嚴重的安全隱患。

為了提高動力電池的安全性，還需避免或抑制熱失控的發(fā)生。整體來看，業(yè)界解決鋰離子電池熱失控問題，主要從系統(tǒng)保護和電芯改進兩個方面進行。