锂离子动力电池的安全问题研究

自今年夏季以来,国内电动汽车起火事故频发,仅8、9月两月发生的电动汽车起火事故数量就已超过2017年全年电动汽车起火事故总和,在国内电动汽车迅速增长的大环境下,电动汽车安全事故发生的背后暴露的是当前电池企业和主机厂都在追求更高的能量密度以获得更多的补贴,却忽视了动力电池最根本的安全属性的问题,而近期频繁的事故出现,理应为国内追求高速发展的电动汽车行业敲响警钟。

1-8月国内事故的相关统计

据公开资料显示,2018年上半年(1-6月)新能源电池车国内共发生8次起火事故,与2017年基本持平,其中5月之后的事故占7起,说明新能源汽车起火主要集中在夏季。从成型及品牌来看,特斯拉、江铃等国内外纯电动汽车均榜上有名。然而,据最新资料显示,进入8月和9月以来,公开起火事件已经多达12起,这一数字远高于2016、2017年一整年的公开起火数量。由于电动汽车起火的原因主要是电池过热,热量无法及时散出而造成的电池高温起火,因而在高温、暴雨等天气频繁地的夏季多发也在情理之中。

以上半年的事故数据为基础,从起火原因来看,因充电导致的起火事故共5起,占比50%之多,成为起火事故的第一诱因;其次是碰撞起火和行驶中自燃各两起,各占20%。从车辆状态来看,静置和充电为一类,电池在静置和使用中都有可能发生起火事故。

锂离子电池起火的原因分析

作为纯电动汽车的能量来源,锂离子电池起火的主要原因主要是电池过热而造成的热失控,这种过热在电池充放电过程中最容易发生。由于锂离子电池自身具有一定的内阻,在输出电能为纯电动提供动力的同时会产生一定的热量,使得自身温度变高,当自身温度超出其正常工作温度范围间时将会损害整个电池的寿命和安全。纯电动汽车中,动力电池系统是由多个动力电池单体电芯构成,在工作过程中产生大量的热聚集在狭小的电池箱体内,如果热量不能够及时地快速散出,高温会影响动力电池寿命甚至出现热失控,从而引发起火爆炸等事故。从原理上说热失控的原因主要有以下四个方面:

(1) 机械滥用

主要发生在汽车碰撞时,由于外力的作用,锂电池单体、电池组发生变形,自身不同部位发生相对位移,导致电池隔膜被撕裂并发生内部短路; 易燃电解质泄漏最终引发起火。在机械滥用中,穿刺伤害最为严重,它可能会导体插入电池本体,造成正负极直接短路。相比之下,碰撞、挤压等,只是概率性的发生内短路,穿刺过程热量的生成更加剧烈,引发热失控的概率更高。

(2)电滥用

电滥用主要是对电池的使用不当造成的,有外部短路、过度充电和过度放电几种类型。其中,过渡放电导致的危害最小,但是由于过放造成的铜枝晶的增长会降低电池的安全性从而增加热失控的几率。外部短路是在两个存在压差的导体在电芯外部接通导致的结果,当外部短路发生时,电池产生的热量无法很好的散去时,电池温度也会随之上升,高温触发热失控。

过度充电是电滥用中危害最高的一种。由于过量的锂嵌入,锂枝晶在阳极表面生长。其次,锂的过度脱嵌导致阴极结构因发热和氧释放而崩溃(NCA阴极的氧释放)。氧气的释放加速了电解质的分解,产生大量气体。由于内部压力的增加,排气阀打开,电池开始排气。电芯中的活性物质与空气接触以后,发生剧烈反应,放出大量的热,从而引发电池包的燃烧起火。

(3)热滥用

热滥用主要指在电池中的局部过热,很少独立存在,往往是通过机械滥用和电气滥用发展而来,并且是最终直接触发热失控等事故的一种情况。热滥用一般多为外部环境高或者在温度控制系统不起作用下导致的电池热量过高从而造成的短路,从而引发热失控。从原因上说,热滥用的原因是最为复杂的,电池包的碰撞、损坏,电池内部的结构、性能或是其他热管理系统、空调系统的失灵都可能导致热滥用的发生。

(4)内部短路

内部短路是由电池的正负极直接接触,当然接触的程度不同,引发的后续反应也差别很大,通常由机械和热量滥用引起的大规模内部短路将直接导致热滥用。引发内部短路原因同样复杂,比如锂离子电池过度充电,枝晶积累到一定程度导致刺穿电池隔膜,从而发生内部短路 或是碰撞、穿刺伤害之后直接导致正负极接触而导致热失控。与外部因素产生的内部短路相比,源于电池制造过程中自发的缺陷而引起的内部短路,程度比较轻微,先天内部短路产生的热量很少,并不会立即触发热失控。而且这种内在缺陷会经过一段时间才会演化为程度较轻的内短路。

解决动力电池热失控的主要方法

针对锂离子电池热失控的情况,目前国内主流的解决方法主要从外部保护和内部改进两个方面进行改进。外部保护主要是指系统方面的升级改进,内部改进是指针对电池本身进行提高。

(1)冷却方式的提升

热管理系统主要负责控制温度,确保电池一直处在一个合理的运行温度下。通常,热管理系统由整车控制器控制,在电池包温度异常时,通过空调系统进行及时散热或者加热,保证电池安全以及寿命。电池的散热方式根据导热方式和介质的不同而分为四项:空气冷却(风冷)、液体冷却(水冷)、相变材料(固体)、和结合冷却(风冷/水冷 + 固体冷却)几种。

(2)内部材料及结构的改进

内部改进即从电芯内部的材料结构上进行改造,从而使电池具备更好的耐热、散热性能。以目前的研究热点来说,发展固态电解液;对正负极进行结构改造;以及引入安全性更高的隔膜材料都是从内部提升电池热性能的主流方法之一。