動力鋰電池起火原因詳解
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2020-06-08 11:13
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1 電動汽車起火案例分析
電動汽車起火案例分析表明，起火原因大多是由于動力鋰電池熱失控所致。通過對某型電動汽車一年起火時間分析，發(fā)現(xiàn)在溫度較高的5-8 月，起火案例起數(shù)占總數(shù)的52%以上，環(huán)境溫度過高是動力鋰電池起火的因素之一；從該電動汽車起火案例中車輛運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)還發(fā)現(xiàn)，充電過程中起火占比為68%，行駛過程起火占比為20%，靜止和其他情況下起火占比為12%。
2 動力鋰電池?zé)崾Э匕l(fā)生機(jī)制
電動汽車使用過程是動力鋰電池的充放電循環(huán)過程，會發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。由于負(fù)極表面SEI 膜的熱穩(wěn)定特性，當(dāng)溫度達(dá)到120～140 ℃時會發(fā)生熱分解。SEI 膜分解會使負(fù)極裸露，直接與電解液接觸，發(fā)生劇烈的還原反應(yīng)，并放出大量可燃性氣體，同時釋放出大量的熱。
當(dāng)SEI 膜分解釋放的熱使電芯溫度達(dá)到180～200 ℃時候，正極開始發(fā)生分解。正極分解過程中釋放原子態(tài)氧，原子態(tài)氧的活性很高，會直接導(dǎo)致電解液劇烈氧化分解，短時間內(nèi)電芯積聚大量的熱。
當(dāng)溫度過高或充電電壓過高時，發(fā)生潛在的放熱副反應(yīng)，熱量聚集時，電芯溫度和壓力急劇上升，導(dǎo)致熱失控發(fā)生，其中正極熱分解量最大。不同正極材料的電芯熱穩(wěn)定性不同，三元材料的電芯熱分解相對較低，磷酸鐵鋰在200～400 ℃時基本不分解，隨著鎳含量的增加，高鎳三元正極熱分解溫度越來越低，放熱量越來越大，溫度在120 ℃左右就開始發(fā)生熱分解。
當(dāng)動力鋰電池散熱性能不達(dá)標(biāo)，化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量使溫度升高，促使化學(xué)反應(yīng)速率呈指數(shù)級增大，系統(tǒng)進(jìn)入自加溫狀態(tài)，發(fā)生熱失控。另外，電芯都裝配有泄壓閥，動力鋰電池也會配備防爆閥，當(dāng)電池壓力達(dá)到6～8 Pa 時會泄壓。在泄壓過程中，電解液的閃點(diǎn)很低，電解液蒸氣在噴出時，與防爆閥的摩擦足以導(dǎo)致動力鋰電池燃燒。由此可見，動力鋰電池起火的特點(diǎn)是不會發(fā)生劇烈爆炸，但具有燃燒迅速的特點(diǎn)。
3 動力鋰電池起火過程
為驗(yàn)證電動汽車動力鋰電池的起火過程，筆者與研究人員進(jìn)行了某型號動力鋰電池的熱失控過程驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備包括電池包監(jiān)控上位機(jī)、加熱片、萬用表等。動力鋰電池參數(shù)，見表2 所示。試驗(yàn)內(nèi)容包括：電池模組和電池包的單顆電芯熱失控發(fā)生的條件；熱失控后擴(kuò)散的進(jìn)程和范圍；電池包進(jìn)水后的放電情況及放電過程中出現(xiàn)的異常情況。試驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)與現(xiàn)象，見表3 所示。
使用加熱片對動力鋰電池中的單顆電芯進(jìn)行1.7 h 加熱。加熱1 h 時,溫度到達(dá)125 ℃ ，后續(xù)溫度一直保持不變，其間電芯有炸裂聲，但聲音不明顯。試驗(yàn)結(jié)束后，該電芯防爆閥開啟，沒有發(fā)生爆炸和引起周邊電芯熱失控，電池包完好，如圖2 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，單電芯熱失控不一定會引起整包熱失控。
使用加熱片對動力鋰電池模組中間處的電芯進(jìn)行加熱，見表4 所示。在加熱5 min 后，開始出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，此時溫度為185.6 ℃，在9 min 后停止加熱，由于反應(yīng)不斷進(jìn)行，模組溫度達(dá)到512.3 ℃時出現(xiàn)明火，火勢迅速蔓延至整個模組，如圖3 所示。
使用加熱片對動力鋰電池中的模組進(jìn)行加熱，電芯在受熱到210 ℃時發(fā)生劇烈反應(yīng)（此過程4 min 左右），出現(xiàn)泄氣或炸裂現(xiàn)象，同時1 min 內(nèi)周邊電芯開始發(fā)生連鎖反應(yīng)，發(fā)生間斷炸裂。12 min 后，電池包內(nèi)壓強(qiáng)增加，電池出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。電池包泄壓導(dǎo)致電池包內(nèi)劇烈反應(yīng)出現(xiàn)明火，歷時20 min 左右，說明動力鋰電池起火具有火勢猛烈、蔓延迅速的特點(diǎn)。
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