電動汽車是新能源行業(yè)中發(fā)展最為迅速的新興產(chǎn)業(yè)。然而以熱失控為特征的鋰離子電池系統(tǒng)的安全性事故時有發(fā)生，困擾著電動汽車的發(fā)展。本文跨越小編將探討動力電池的安全性問題，為大家剖析動力電池因熱失控所造成安全性事故的常見形式及成因。

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。今年電動汽車因熱失控發(fā)生的安全事故如圖1、表1所示。

（表-1  近年發(fā)生的鋰離子動力電池事故）

（圖-1  近年發(fā)生的鋰離子動力電池事故）

（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(diǎn)。

（3）“擴(kuò)展”——熱失控帶來的向周圍傳播的次生危害。

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所示）。

（圖-2 動力電池系統(tǒng)安全性問題的層次）

動力電池安全性演變機(jī)理

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(jìn)電池系統(tǒng)的設(shè)計。

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。

（圖3 鋰離子電池內(nèi)部金屬枝晶的生長與隔膜的刺穿）

動力電池系統(tǒng)熱失控機(jī)理

動力電池事故發(fā)生前必然要進(jìn)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(dāng)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(jī)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(fù)極的25 A·h鋰離子動力電池的熱失控機(jī)理。熱失控過程分為了7個階段。

圖4 某款三元鋰離子動力電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（實(shí)驗(yàn)儀器為大型加速絕熱量熱儀，EV-ARC）

圖5 某款三元鋰離子動力電池?zé)崾Э夭煌A段的機(jī)理

（表-2 某款鋰離子動力電池?zé)崾Э氐姆蛛A段特征與機(jī)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(diǎn)，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。

動力電池?zé)崾Э厥鹿视|發(fā)的分類

根據(jù)觸發(fā)的特征，可以分為機(jī)械觸發(fā)、電觸發(fā)和熱觸發(fā)3類。

圖6 事故觸發(fā)的分類

熱失控擴(kuò)展的機(jī)理

熱失控擴(kuò)展過程中的熱量傳遞有3條可能的主要路徑：

（1）相鄰電池殼體之間的導(dǎo)熱；

（2）通過電池極柱的導(dǎo)熱；

（3）單體電池起火對周圍電池的炙烤。

圖7 熱失控擴(kuò)展的幾條可能路徑

動力電池系統(tǒng)安全性問題主要分為3個層次，即“演變”、“觸發(fā)”與“擴(kuò)展”。從這三個層次出發(fā)，深入研究各個層次的熱系統(tǒng)轉(zhuǎn)化機(jī)理及其演變過程，提出有效的事故防范措施和安全性監(jiān)控措施，是下一步動力電池模組研究的工作重點(diǎn)。

防范熱失控擴(kuò)展與電池系統(tǒng)設(shè)計的矛盾

導(dǎo)熱性能是指導(dǎo)熱材料傳遞熱量的能力。不同物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)各不相同，相同物質(zhì)的導(dǎo)熱性能與多種因素有關(guān)。例如：結(jié)構(gòu)、密度、濕度、溫度、壓力等。同一物質(zhì)的含水率低、溫度較低時，導(dǎo)熱系數(shù)較小。一般來說，固體的熱導(dǎo)率比液體的大，而液體的又要比氣體的大。這種差異很大程度上是由于這兩種狀態(tài)分子間距不同所導(dǎo)致。