寧德時(shí)代黃世霖先生曾表達(dá)：“公司之所以能成為諸多大牌車企的合作伙伴，主要是因?yàn)楣驹阡囯姵厣a(chǎn)制造方面多年的經(jīng)驗(yàn)積累，以及對電池安全性的高度重視。” 寧德時(shí)代總體的發(fā)展目標(biāo)是“做全世界最安全的鋰電池”，鋰電業(yè)務(wù)從設(shè)計(jì)安全、產(chǎn)品安全、生產(chǎn)安全到售后安全建立了全方位的保障體系。鋰電池?zé)o論是應(yīng)用在新能源汽車，還是大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)，關(guān)鍵在于安全性、能量密度、功率密度、循環(huán)壽命以及價(jià)格等五個(gè)方面（如圖1所示），安全性始終是鋰離子動(dòng)力電池研發(fā)的第一要位。

 

通常鋰電池在3C產(chǎn)品應(yīng)用較成熟，近年在新能源汽車和儲(chǔ)能領(lǐng)域存在爆發(fā)式的增長需求，目前我國儲(chǔ)能電池市場規(guī)模還沒完全釋放，而新能源汽車動(dòng)力電池市場已成為各國爭相競技的賽場。從圖2看出，美國制定的長期目標(biāo)為開發(fā)能量密度＞200Wh/kg的PHEV-100+和EV用二次電池，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）計(jì)劃至2020年達(dá)到250Wh/kg，2030年達(dá)到500-700Wh/kg，中國規(guī)劃至2020年，新型鋰離子動(dòng)力電池單體比能量超過300Wh/kg，系統(tǒng)比能量力爭達(dá)到260Wh/kg，至2025年，單體比能量達(dá)500Wh/kg。

誠如新能源汽車動(dòng)力電池火爆的背后，不僅帶來了低端產(chǎn)能過剩，高端產(chǎn)能不足的結(jié)構(gòu)性產(chǎn)能問題，同時(shí)還伴生了一些安全隱患，如下圖3的幾例典型電動(dòng)車起火和爆炸事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年底新能源汽車保有量40萬輛，2016年國內(nèi)新能源汽車發(fā)生火災(zāi)共計(jì)29起，按這樣的事故比例計(jì)算，至2020年新能源汽車規(guī)劃保有量要達(dá)到500萬輛，火災(zāi)事故相當(dāng)于250次左右。

從工作原理角度看，動(dòng)力電池與消費(fèi)類電池基本一樣，但動(dòng)力電池的帶電量遠(yuǎn)大于消費(fèi)類電池，在過充、過熱、內(nèi)短路、外短路、機(jī)械觸發(fā)等因素下容易誘發(fā)熱失控，當(dāng)動(dòng)力電池發(fā)生熱失控時(shí)可使電池溫度迅速升高到400-1000℃，進(jìn)而發(fā)生著火、爆炸等事故。如圖4所示，動(dòng)力電池?zé)崾Э氐难葑兎譃檎T因、發(fā)生和擴(kuò)展三個(gè)階段，隨著溫度不斷升高，電池內(nèi)部發(fā)生顯著變化，不同溫度階段伴隨著各種副反應(yīng)的發(fā)生，當(dāng)副反應(yīng)的產(chǎn)熱速率大于電池的散熱速率時(shí)，電池內(nèi)壓及溫度急劇上升，導(dǎo)致電池發(fā)生燃燒和/或爆炸。

 

鋰離子動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)首先決定了其安全性能的好壞，如圖5所示，鋰電材料由正極材料、負(fù)極材料、電解液及隔膜等組成，充放電過程實(shí)際上是一種電化學(xué)反應(yīng)過程，SEI膜是在電池首次充放電過程中電極材料與電解液反應(yīng)沉積在電極表面的一層鈍化膜，當(dāng)溫度過高（T＞130℃）導(dǎo)致SEI膜分解，使電解液與裸露的高活性碳負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生大量的分解熱量使電池溫度升高，這是導(dǎo)致熱失控的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原因，也是發(fā)生事故的根本原因，因此，改善SEI膜的熱穩(wěn)定性可以提高電芯的安全性。

從鋰電材料組成來看，正極材料占比最高，它決定了電池的比容量和比能量，對比磷酸鐵鋰（LiFePO4）與三元材料NMC(LiNixMnyCo1-x-yO2)發(fā)現(xiàn)，要提高安全性必定犧牲能量密度，影響安全性的重要因素是電極材料的本征電極電勢和晶體結(jié)構(gòu)；負(fù)極材料對安全性的影響主要來自于鋰枝晶的生長導(dǎo)致的與電解液的反應(yīng)，鋰枝晶不斷生長的原因是鋰離子通過SEI膜的速度小于鋰離子在負(fù)極上的沉積速度；電解液通常為有機(jī)碳酸酯類化合物，充電時(shí)不穩(wěn)定的正極材料發(fā)生副反應(yīng)釋放氧氣與電解液反應(yīng)，放出大量熱和易燃?xì)怏w；隔膜材料一旦破裂將造成正負(fù)極接觸發(fā)生短路，導(dǎo)致熱失控。如表6所示，在過充和高溫下，正極活性材料與電解液中的溶劑發(fā)生反應(yīng)釋放氧氣并產(chǎn)生大量熱；溫度升高使得在嵌鋰狀態(tài)下的碳負(fù)極材料由有序變無序，極易與電解液或粘接劑（如PVDF）發(fā)生放熱反應(yīng)；電解液溶劑（如PC/EC/EMC/DMC等）均為有機(jī)易燃物，高溫或一定電壓下發(fā)生氧化和分解反應(yīng)；隔膜材料PE熔點(diǎn)135℃，PP熔點(diǎn)165℃，溫度超過熔點(diǎn)，隔膜融化，發(fā)生內(nèi)短路。

 

目前鋰離子動(dòng)力電池在乘用車和商用車應(yīng)用較多的分別是三元電池、磷酸鐵鋰電池，三元電池向高安全和高能量密度方向發(fā)展，這實(shí)際上是矛盾的，三元NCM或NCA均往高鎳方向發(fā)展，能量密度隨之提高，但電池安全性也隨之降低。從圖7看出，高含量Ni4+容易氧化電解液，釋放氣體，破壞材料晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致熱穩(wěn)定性下降，影響電芯安全性。

 

電化學(xué)反應(yīng)釋放的氣體和熱量使得電池內(nèi)壓和溫度升高超過了承受限度，例如一個(gè)40Ah的NCM/C軟包電池，電解液為溶質(zhì)LiPF6和溶劑EMC/DEC/EC，在充滿電時(shí)，通過針刺觸發(fā)熱失控，釋放出的氣體成分包括EMC、DEC、EC、苯、甲苯、苯乙烯、聯(lián)苯、丙烯醛、一氧化碳、氟化氫等易燃易爆有害氣體；一個(gè)3C消費(fèi)類電池，材料為LiCoO2/C，2.1Ah軟包，7.7Wh容量，觸發(fā)熱失控后產(chǎn)生的氣體種類及含量如表8所示，充電狀態(tài)SOC（State of Charge）分別為50%、100%、150%時(shí)，陸續(xù)釋放的氣體體積分別是0.8L、2.5L、6.0L，電池包被漲破，氣體快速冒出，能量聚集到一定程度而起火或爆炸。除了鋰電材料影響電池安全性外，有句行話說安全性是設(shè)計(jì)出來的，因此電芯及PACK的設(shè)計(jì)、BMS的設(shè)計(jì)、整車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，其中BMS具有防過充、溫控、電控、監(jiān)控電池工作狀態(tài)并預(yù)測電池電量等功能，是動(dòng)力電池的“大腦”，電池外殼的設(shè)計(jì)要求防水等級IP67、具備散熱系統(tǒng)以及滿足足夠的強(qiáng)度。如圖9所示，動(dòng)力電池的生產(chǎn)制造工藝復(fù)雜，每個(gè)步驟都有可能產(chǎn)生安全問題，由于工藝水平的限制，即使同一批次出廠的同一型號電池，其電壓、容量、內(nèi)阻等也不可能完全一致。雖說鋰電池組成及結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致安全問題的根本原因，但來自外界的碰撞、擠壓、穿刺、顛簸等環(huán)境因素直接造成了電池燃燒、爆炸等危險(xiǎn)。