新能源汽車電池熱失控是怎樣發(fā)生的？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-10-09 20:46
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熱失控的內(nèi)因和外因
從宏觀角度看，熱失控的觸發(fā)原因可以分為兩類，內(nèi)因和外因。
內(nèi)因，就是電芯自身的問題，常見的包括老化造成的各種性能的衰退，如內(nèi)阻增大，長期輕度不當使用造成的鋰金屬沉積等等，隨著時間的積累，這種內(nèi)因造成的熱失控風險會逐漸增加。
內(nèi)因引起的風險，不能消除，只能預防，監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)問題電芯，及早排除隱患；
外因，就是除了電芯自然使用產(chǎn)生的影響因素之外的其他因素。一些意外事故，比如交通事故、異物沖擊等造成的電池包機械損傷，進而導致短路，起火；另外一類外因就是人為的濫用。比如浸水、熱沖擊、振動、沖擊、火焰灼燒等惡劣外部環(huán)境因素，過充過放、過壓欠壓、外短路等電氣上的不當使用，這些都可能成為引發(fā)熱失控的原因。
如果概率性的遇到了意外事故，只得以保護人員安全為目標，設計相關的報警、延緩事故蔓延的措施，給人員撤離預留時間。濫用性質的外圍因素，常?？梢酝ㄟ^合理的設計，規(guī)范的使用得到規(guī)避或者緩解。
與外因相關的，國內(nèi)外都制定了相關的電池安全標準。工信部2015年頒布了一批針對動力電池的標準（GB 31485-2015，GB 31467.3-2015），目的是規(guī)范電芯質量，使得通過標準檢測的電芯，遇到濫用情形，可以失去功能，但不能造成人身傷害。
02
熱失控過程發(fā)生了什么
2.1 一個熱失控實驗
人們早已認識到動力電池安全的重要性，關于熱失控的研究一直是行業(yè)熱點。綜合一些文獻觀點，看看鋰電池熱失控過程中都發(fā)生了什么。
先從一個實驗說起，研究者從電芯循環(huán)壽命不同階段的角度研究電芯熱失控特點。
研究人員選取初始狀態(tài)非常近似的一組電芯進行測試。電芯分別經(jīng)歷恒流恒壓充電過程和恒流放電過程，以同樣的充放電參數(shù)進行循環(huán)壽命測試。電芯按照不同循環(huán)次數(shù)劃分組別，新電芯（1次循環(huán)），200次循環(huán)電芯，400次循環(huán)，600次循環(huán)，800次循環(huán)，1000次循環(huán)電芯，共6組。將樣品置于同樣的環(huán)境下以相同功率加熱，其熱失控情況形下圖所示。
循環(huán)次數(shù)越多的電芯，其熱失控開始的時間越早，作者分析原因，是因為SEI膜的老化，使得其結構發(fā)生了變化，越來越易于分解。關于1000次循環(huán)電芯的熱失控現(xiàn)象作者并沒有給出解釋，本文不妄作猜測。
圖中明顯區(qū)分成三個階段：電芯溫度緩慢上升階段，溫度急劇上升階段和瞬間溫度劇烈上升階段。這恰好對應了其他研究中提出的關于熱失控階段劃分理論。
2.2 熱失控的階段劃分
階段的劃分方法存在著不同的說法，核心應該是，跨越了哪個點，熱趨勢將無法逆轉。有理論認為這個點是隔膜的大規(guī)模溶解。在此之前，溫度降下來，物質活性下降，反應會減緩。一旦突破這個點，正負極已經(jīng)直接相對，電芯內(nèi)部溫度不可能被降低，無法終止反應的繼續(xù)了。
該理論將熱失控劃分為三個階段，自生熱階段（50℃-140℃），熱失控階段（140℃-850℃），熱失控終止階段（850℃-常溫），文獻提供的隔膜大規(guī)模融化溫度起始于140℃。
不同材料類型的電芯，具體溫度會有區(qū)別，為了說明方便，只針對一種電芯的數(shù)據(jù)表述。
2.3自生熱階段
一些文獻在簡單提及自生熱階段時，將其描述為，自生熱階段，就是鋰電池負極SEI膜熱分解的階段。自生熱階段，又被叫做熱積累階段，它開始于SEI膜的溶解。SEI膜在溫度達到90℃左右的時候，其溶解現(xiàn)象就會被明顯的觀察到。
(插播，什么是SEI膜：SEI膜是鋰電池在首次充電化成中，由負極材料和電解液反應生成的一層鈍化膜，其作用是一方面包覆負極材料，保護其結構不受破壞；另一方面，是能夠讓鋰離子通過，并嵌入負極材料中。)
SEI膜的溶解，使得負極以及負極內(nèi)包含的嵌鋰碳成分直接暴露在電解液里，嵌鋰碳與電解液發(fā)生放熱反應，造成溫度升高。溫度的上升反過來促進了SEI膜的進一步分解。如果沒有外部降溫手段的作用，這個過程會滾動向前，直至SEI膜全部分解。
SEI膜分解過程中，及分解完成后，鋰單質始終在參與反應。隨著溫度進一步上升，電解液中的其他成分逐步加入反應過程，熱量的累積速度也越來越快，如圖“鋰電池熱失控中參與反應的物質及對應溫度”所示。
溫度上升，使得隔膜開始融化，離子通道趨于閉合。帶電離子無法通過，外部參數(shù)顯示為電芯內(nèi)阻增加。
在這個過程中，副反應產(chǎn)生的氣體充滿電芯內(nèi)部，外部可能觀察到電芯厚度增加，安全閥開啟，電解液泄漏的現(xiàn)象。
正常工作系統(tǒng)中可能的熱量積累過程
在實驗中，SEI膜溶解的起始點是由加熱手段制造的。實際應用過程中，起始階段的熱積累可能是老化原因導致的。隨著電池老化程度加深，原來合理的工作參數(shù)，可能會演變?yōu)槌摵傻倪\行參數(shù)。比如，新電芯持續(xù)放電電流1C，這里按照新電芯的容量來定義工作電流。當電芯老化后，其容量已經(jīng)下降，內(nèi)阻已經(jīng)增加，還用原來的電流放電，發(fā)熱量必然上升，系統(tǒng)散熱裝置可能無法散去全部熱量，造成了初始的熱量積累。
2.4 熱失控階段
溫度超過140℃以后，正負極材料都加入了電化學反應的行列，反應物質量的增加，使得溫度的提升速度更快了。
外部可以觀測到的參數(shù)變化，是電壓的急劇下跌，其過程被描述為：達到這個溫度區(qū)間后，隔膜開始大量融化，正負極直接連通，造成大規(guī)模短路的發(fā)生。
至此，熱失控已經(jīng)開始，不會再停下來。
短時間內(nèi)，劇烈的反應生成大量氣體的同時生成大量的熱，熱量又給氣體加熱，膨脹的氣體沖破電芯殼體，發(fā)生物質噴射之類的現(xiàn)象，四散的物質也帶走了部分熱量。熱失控達到了最激烈的狀態(tài)。最高溫度也在這個階段到達。
熱失控的蔓延
如果周圍有其他電芯，則在此階段，通過把熱量向周圍傳播，熱失控可能向其他電芯蔓延。
熱量可能通過連接的導電件傳導，也可能因為體積膨脹，原來保有間距的電芯，在此時已經(jīng)彼此貼緊，電芯殼體之間直接傳導熱量。
安全閥也可能成為熱失控蔓延的原因。如果電芯有著火現(xiàn)象，一般會發(fā)生在電芯材料與空氣充分接觸的安全閥口處?？梢韵胍姡踩y開口對著哪些電芯，哪些電芯就會被火焰炙烤，進而發(fā)生熱失控。
2.5 熱失控終止
熱失控一旦發(fā)生，其終止只能是反應物全部燃盡。消防部門的一份報告顯示，對于鋰電池這種封閉殼體內(nèi)包含高能量的裝置，消防手段暫時無法終止正在進行的熱失控。滅火劑，無法真正觸及正在進行的反應物質。消防員在火場風險很高，但能夠采取的措施比較有限，一般就是隔離事故現(xiàn)場。
只有待反應物耗盡，熱失控過程才能自然終止。
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外因造成的熱失控
外因引起的熱失控，無論是外部短路，還是過流充電等，相同的一點，都是短時間內(nèi)給電芯提供了巨大熱量，使得電芯溫度急劇上升，相對內(nèi)因造成的熱失控，熱量積累的時間會比較短。
