鋰離子電池頻繁起火的真相

近日，由國家市場監(jiān)管總局質(zhì)量發(fā)展局和中國汽車工程學會共同主辦的“新能源汽車安全與召回”主題峰會在博鰲召開。會議期間，就鋰離子電池安全問題，清華大學教授邱新平發(fā)表了自己的一些看法、并提出了電池安全問題防范建議。

鋰離子電池于1990年研發(fā)成功，由于能量密度高，最初在攝像機上應用，后逐步擴大到筆記本電腦、手機、電動汽車及儲能系統(tǒng)中。在這個過程中，多起不同程度的安全性事故接連發(fā)生。

鋰離子電池安全問題為何頻發(fā)

據(jù)不完全統(tǒng)計，2018年我國發(fā)生電動汽車起火事件40余起，包括多個品牌的乘用車和動力電池。2019年以來，尤其是進入四五月份，特斯拉、蔚來等車企發(fā)生多起起火事件，導致新能源汽車及動力電池安全備受質(zhì)疑。

鋰離子電池安全問題為何頻發(fā)?

邱新平告訴《產(chǎn)品安全與召回》，這是由鋰離子電池本身的特征來決定的。與其他體系的電池相比，比如鉛酸電池、鎳鋁電池等，鋰離子電池創(chuàng)新地采用了一些新的反應方式。主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

首先，鋰離子電池正極和負極采用了嵌入反應方式，與普通的化學反應如鉛酸電池中鉛變硫酸鉛的反應不一樣，嵌入反應過程中材料表面也就是界面的結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，因此保證了鋰離子電池的長壽命系統(tǒng)。

其次，鋰離子電池具有高能量密度的特性，高能量密度主要得益于兩方面：一是高容量電極材料的使用;二是寬的電化學窗口電解質(zhì)的使用(這里所指的主要是非水溶液體系電解質(zhì)或者固體電解質(zhì))，使得電池的電壓大幅度提高。

“現(xiàn)在的鋰離子電池平均電壓可以到3.7V以上，最高電壓可以達到4.4V以上。這樣的設(shè)計，與普通的水溶液電解質(zhì)相比，鋰離子電池中沒有鉗制反應。”邱新平指出，比如說，如果鉛酸電池過充電，過充電以后多余的電可以把水分解，分解完之后，再用氫氧復合基質(zhì)把多余的電能變成熱能釋放出來，“鋰離子電池并沒有這個機制，所以一旦過充電，就會帶來很多安全問題。”

熱失控是電池正極跟電解質(zhì)的燃燒反應

邱新平指出，鋰離子電池的特性決定了發(fā)展電動汽車要格外關(guān)注鋰離子電池的安全性問題。業(yè)內(nèi)在剖析電動汽車起火原因時，熱失控被頻繁提及。

究竟什么是熱失控?

據(jù)邱新平解釋，當電池的溫度達到某一溫度時，電池內(nèi)部會發(fā)生劇烈的反應，產(chǎn)生大量的熱，這種情況已經(jīng)無法人為管控，就跟原子彈一樣，到了某個極限就馬上爆炸，業(yè)內(nèi)把這種反應稱為熱失控反應。

從原理上看，鋰離子電池熱失控的過程，主要是正極跟電解質(zhì)的燃燒反應。“我們實驗室拿鈷酸鋰做了一個簡單的熱力學計算發(fā)現(xiàn)，隨著鈷酸鋰材料中的鋰被不斷地提取出來，也就是電池合成SOC的增加，鈷酸鋰分解的溫度會不斷地下降，自身就會發(fā)生析氧。而這種氧不會形成氧氣，而是活潑的氧，這種活潑的氧會與電解質(zhì)中的有機溶劑反應，從而產(chǎn)生大量的熱，并且這個反應速度非?？欤瑢е聼崾Э?。”邱新平進一步補充道。

引發(fā)熱失控的原因有兩類

電池產(chǎn)熱是電池工作過程中的必然產(chǎn)物，如果電池的熱釋放即熱擴散速度比產(chǎn)熱速度要快，電池溫度就不會上升，不會達到熱失控溫度。但往往有些時候，電池的散熱性并不是很好。

邱新平將引起熱失控的原因分為兩類。

第一類是電池外部因素。如果電池所處的環(huán)境溫度過高，電池散熱不好，或者內(nèi)部卷得不好，導致電池散熱不通暢。此外，還有一種情況需要企業(yè)特別注意，就是電池脊柱有時候能把熱引進去，電池的金屬脊柱有銅的，有鋁的，導熱性都比較好，“電路中有某些高熱源的元器件，一定要離電池脊柱遠一些，讓熱量充分發(fā)揮。”邱新平補充。

第二類是電池內(nèi)部因素。一是微短路，微短路有兩種情況，一種是電池工藝中的短路，包括毛刺;另一種是使用過程中的短路，這些都會引起微短路，導致電池局部溫度高于熱失控溫度，從而產(chǎn)生熱失控現(xiàn)象。

二是電池過充電，過充以后會降低材料的熱失控溫度。“像電池在使用中后期的容量已經(jīng)衰減了，這時候電池本身就已經(jīng)處于過充狀態(tài)，熱失控溫度自然會下降。”邱新平指出。

三是電解質(zhì)用量，如果用量過多，爆炸的危害性會很大，火焰噴得很高很遠，所以要嚴格控制電解質(zhì)用量。

預防熱失控要控制電池溫度

截至目前，電動汽車起火事故仍是少數(shù)，為何有的電動汽車安全運行，有的卻危及駕乘人員安全?

邱新平告訴《產(chǎn)品安全與召回》，觸發(fā)熱失控的溫度與電極材料的種類、電解質(zhì)的種類、電池的荷電狀態(tài)等等都有很大關(guān)系。

“比如，我們做三元材料熱失控反應試驗發(fā)現(xiàn)，當荷電狀態(tài)60%的時候不會發(fā)生熱失控反應;當荷電狀態(tài)達到80%以上，包括100%時，這種熱失控反應會很快發(fā)生，在溫度比較低比如190度的情況下就可以發(fā)生;如果發(fā)生過充，荷電狀態(tài)達到120%時，熱失控會更容易發(fā)生。”

預防熱失控的核心在于把電池的溫度控制在觸發(fā)溫度以下。“這里所指的溫度，不止是電池的整體，包括局部地方，甚至某一個小點，所有地方都不能產(chǎn)生溫度過高的問題。比如短路導致某個非常小的地方溫度局部過高，也會引起熱失控反應。”邱新平強調(diào)。

電池的一致性決定電池組的安全性

截至2019年6月，我國新能源汽車保有量達344萬輛。盡管起火數(shù)量仍是少數(shù)，引發(fā)的安全危機卻對產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。

邱新平認為，在電池使用過程中，電池的一致性決定了電池組的安全性。

鋰離子電池由于沒有前置性反應，在組合過程中，選電池必須要一致性。舉例而言，電池組合串聯(lián)以后，一個電流通過三個電池，必須保證每個電池都一樣，通過的電流大小或容量都一樣。“如果一個電池已經(jīng)充滿了，再充就是過充;或者放電時，如果一個電池已經(jīng)到了放電下限，再放電電池就過放了。這樣就會引起電池性能的偏差，容易引發(fā)熱失控。”邱新平表示，電池一致性偏差越大，未來電池組的安全性就會越差。

應加強對電池生命中后期的數(shù)據(jù)積累

目前業(yè)內(nèi)包括車企對新的鋰離子電池，即剛出廠的電池的安全性認識得很清楚，積累做了大量的數(shù)據(jù)，也通過了各種各樣的標準測試。

邱新平告訴《產(chǎn)品安全與召回》：“目前我們面臨這樣一個問題，包括最近國內(nèi)出現(xiàn)的這些燒車事故，都跟電池到了生命的中后期有關(guān)，問題在于，我們現(xiàn)在對電池生命中后期反應并沒有太多的數(shù)據(jù)積累。”

“我們實驗室花了三年時間做電池循環(huán)測試，三年時間里在同樣一個溫度下循環(huán)，我們發(fā)現(xiàn)循環(huán)了3000次以后，電池的內(nèi)阻變化很大，一百個電池之間可能相差很多，容量也變化很大。”

如果這種變化出現(xiàn)在成組的電池上，熱失控在所難免。“所以到目前為止，我個人的觀點就是，需要加強對電池生命中后期的數(shù)據(jù)積累。安全本身不是一個從技術(shù)上或者從原理上不能克服的事情，安全是一個工程技術(shù)問題，只要有大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累，我們的工程技術(shù)人員就可以很好地開展工作。”邱新平強調(diào)。

電池安全防范七點建議

鋰離子電池安全如何防范?邱新平提出以下建議：

首先，開發(fā)出好的正極材料，提高其熱失控溫度，每提高10度，就能大大減少熱失控發(fā)生的幾率。

第二，設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)，電池的散熱要好。

第三，保證電池一致性，加大使用過程中環(huán)境的控制等。

第四，開發(fā)出更加穩(wěn)定的電極材料，電解質(zhì)材料，這是真正解決鋰離子電池安全的根本。目前，這方面無論是國際還是國內(nèi)都有一些很好的技術(shù)方案在運行。

第五，要加強電池散熱以及熱管理范圍的研究。有些企業(yè)可能怕熱傳遞而做隔熱，隔熱過程中還有一個散熱問題。

第六，減少生產(chǎn)過程的電池內(nèi)部缺陷，以減少電池發(fā)生安全事故的幾率。

“最后，要加強電子壽命中后期的電池管理和特性認識，解決電池在使用過程中產(chǎn)生的離散性大問題。如果這個問題解決了，會提高整組的總體安全性。”邱新平說道。