車用鋰動力電池系統(tǒng)的安全性剖析
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-08 19:38
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1.動力電池安全性問題
鋰離子動力電池事故主要表現(xiàn)為因熱失控帶來的起火燃燒。如表1和圖1所示。
車用鋰離子動力電池系統(tǒng)的安全性剖析
圖1 近年來部分鋰離子動力電池事故
鋰離子動力電池系統(tǒng)安全性問題表現(xiàn)為3個層次（圖2）。
1）電池系統(tǒng)安全性的“演變”。即電池系統(tǒng)長期老化——“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。
3）“擴展”——熱失控帶來的向周圍傳播的次生危害。
車用鋰離子動力電池系統(tǒng)的安全性剖析
圖2 動力電池系統(tǒng)安全性問題的層次
2.動力電池安全性演變
2.1 “演化”與“突變”
電池系統(tǒng)長期老化帶來的可靠性降低，演化耗時長，可以通過檢測電池系統(tǒng)的老化程度來評估電池系統(tǒng)安全性的變化；相比而言安全性突變難以預(yù)測，但是可以通過既有事故的形式來改進電池系統(tǒng)的設(shè)計。
2.2 安全性演化機理
電池系統(tǒng)任何部件的老化都可能帶來安全事故的觸發(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降低；另一方面老化電池更容易發(fā)生熱失控。
3 電池安全事故觸發(fā)
3.1 熱失控機理
經(jīng)過演變過程，電池事故將會進入“觸發(fā)”階段。一般在這之后，電池內(nèi)部的能量將會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同時發(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)生熱失控的機理。
圖4、圖5與表2展示了某款具有三元正極/PE基質(zhì)的陶瓷隔膜/石墨負極的25 A·h鋰離子動力電池的熱失控機理。熱失控過程分為了7個階段。
車用鋰離子動力電池系統(tǒng)的安全性剖析
圖4 某款三元鋰離子動力電池熱失控實驗數(shù)據(jù)（實驗儀器為大型加速絕熱量熱儀，EV-ARC）
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圖5 某款三元鋰離子動力電池熱失控不同階段的機理
車用鋰離子動力電池系統(tǒng)的安全性剖析
表2 某款鋰離子動力電池熱失控的分階段特征與機理
對于冒煙的情況，在階段V，如果電池內(nèi)部溫度低于正極集流體鋁箔的熔化溫度660℃，電池正極涂層就不會隨著反應(yīng)產(chǎn)生的氣體噴出，此時觀察到的會是白煙；反之則是黑煙。
對于起火的情況，引燃的主要原因是噴出的氣體溫度高于其閃點，電解液氣體與氧氣劇烈反應(yīng)。
對于爆炸的情況，必備的條件是電池內(nèi)部具有高壓氣體積聚，安全閥則是及時釋放高壓積聚氣體的關(guān)鍵。
