汽车动力电池系统的安全性问题剖析

中国“十二五”规划大力支持以电动汽车为主的新能源汽车新兴产业。然而以热失控为特征的锂离子电池系统的安全性事故时有发生，困扰着电动汽车的发展。“2017汽车电子关键元器件技术暨新能源汽车研讨会”将聚焦新能源汽车、ADAS、关键元器件技术和创新方案，和众多汽车电子设计领域的工程师和从业者们一道探索汽车电子技术创新之路！在线报名地址：http://www.52solution.com/index.php/Home/Special/qcdz.html#1bm。本文将探讨动力电池的安全性问题，为大家剖析动力电池安全性事故的常见形式及成因。

1 动力电池安全性问题

锂离子动力电池事故主要表现为因热失控带来的起火燃烧。如表1和图1所示。

  

表1 近年发生的锂离子动力电池事故

锂离子动力电池系统安全性问题表现为3个层次（图2）。

1）电池系统安全性的“演变”。即电池系统长期老化——“演化”（事故1、2、3、5、7）和突发事件造成电池系统损坏——“突变”（事故4、6）。
2）“触发”——锂离子动力电池从正常工作到发生热失控与起火燃烧的转折点。
3）“扩展”——热失控带来的向周围传播的次生危害。

2 动力电池安全性演变

2.1 “演化”与“突变”

电池系统长期老化带来的可靠性降低，演化耗时长，可以通过检测电池系统的老化程度来评估电池系统安全性的变化；相比而言安全性突变难以预测，但是可以通过既有事故的形式来改进电池系统的设计。

2.2 安全性演化机理

电池系统任何部件的老化都可能带来安全事故的触发，如事故1、7。除此之外，电池本身的安全性演化主要表现为内短路的发展。电池内部的金属枝晶生长是造成内短路的主要原因之一。值得一提的是，老化电池的能量密度降低，热失控造成的危害可能会降低；另一方面老化电池更容易发生热失控。

3 电池安全事故触发

3.1 热失控机理

经过演变过程，电池事故将会进入“触发”阶段。一般在这之后，电池内部的能量将会在瞬间集中释放造成热失控，引发冒烟、起火与爆炸等现象。当然电池安全事故中，也可能不发生热失控，热失控后的电池不一定会同时发生冒烟、起火与爆炸，也可能都不发生，这取决于电池材料发生热失控的机理。

图4、图5与表2展示了某款具有三元正极/PE基质的陶瓷隔膜/石墨负极的25 A·h锂离子动力电池的热失控机理。热失控过程分为了7个阶段。

  

图5 某款三元锂离子动力电池热失控不同阶段的机理

对于冒烟的情况，在阶段V，如果电池内部温度低于正极集流体铝箔的熔化温度660℃，电池正极涂层就不会随着反应产生的气体喷出，此时观察到的会是白烟；反之则是黑烟。
对于起火的情况，引燃的主要原因是喷出的气体温度高于其闪点，电解液气体与氧气剧烈反应。
对于爆炸的情况，必备的条件是电池内部具有高压气体积聚，安全阀则是及时释放高压积聚气体的关键。

3.2 事故触发的分类

根据触发的特征，可以分为机械触发、电触发和热触发3类。

4 热失控在电池系统内的扩展

4.1 热失控扩展的危害

热失控触发后，局部单体热失控后释放的热量向周围传播，将可能加热周围电池并造成周围电池的热失控，从而发生链式反应造成极大的危害。

4.2 热失控扩展的机理

热失控扩展过程中的热量传递有3条可能的主要路径：1）相邻电池壳体之间的导热；2）通过电池极柱的导热；3）单体电池起火对周围电池的炙烤。

4.3 防范热失控扩展与电池系统设计的矛盾

措施：

  1）防止火焰的发生。设计阀体的喷射方向引导火焰的生成方向；加入灭火剂；保证密封性。
  2）考虑高温气体扩散对电池系统其他部件的影响，及时排出高温气体。
  3）适当阻隔电池之间的传热路径，如在单体电池之间设置隔热层。

  4）增强电池系统内部的散热；将故障电池周围的电池进行放电；在电池之间填充相变材料吸收热量等方法来抑制热失控的扩展。

矛盾：

  防范热失控扩展的设计与电池系统的其他功能设计存在一定的矛盾，如加剧内部温度不均、降低比能量、增加成本等。协调此矛盾是电池系统安全性设计的重要议题之一。

5 电池事故防范与安全性监控

除热失控扩展的防范之外，动力电池系统需要全方位的事故防范措施与安全性监控措施。

  1）锂离子动力电池在大规模生产销售之前，必须要通过相关的安全性测试标准的认证。
  2）以防范热失控事故为核心，动力电池系统的安全性设计需要考虑事故的“演变”、“触发”与“扩展”等因素。还要对于各个部件的失效模式有清楚的认识。
  3）动力电池系统在运行过程中需要进行妥善的管理，并对于可能的事故触发倾向进行监测与预警。

6 结论

动力电池系统安全性问题主要分为3个层次，即“演变”、“触发”与“扩展”。从这三个层次出发，深入研究各个层次的机理及其演变过程，提出有效的事故防范措施和安全性监控措施，是下一步研究的工作重点。