淺談電動汽車鋰電池的安全性保障措施

行業(yè)資訊|Industry News|

2023-01-06 07:53:47 551

在電動汽車涉及的三大核心技術中心，電池、點機還有電控中，可以說電池技術還有與之配套的相關的設施是人們普遍關心的問題。無論是對于已經(jīng)使用了將近一個世紀的鉛酸電池還是目前人們普遍關注的鋰離子電池，相關從業(yè)者一直在探索其性能、安全與成本之間最佳的應用方案。

IDM&MSZ

電動汽車鋰電池安全隱患分析

電池過熱而造成的熱失控是鋰離子電池起火的主要原因，常發(fā)生在電池充電與放電的過程中。由于鋰離子本身具有一定的內(nèi)阻，在電能輸出保證電動車能量供給的同時自身也會產(chǎn)生一定的熱量，這種持續(xù)的熱量會使得鋰離子電池本身的溫度變高。鋰離子電池是由多個單體電芯構成的整體，當電池溫度處在持續(xù)升溫的狀態(tài)下，能量供給過程中產(chǎn)生的大量熱能就聚集在狹小的電池箱體中，在超出其正常的工作溫度和承受極限時，便會嚴重損害鋰離子電池的使用壽命，甚至導致鋰離子電池熱失控起火或爆炸。

【 一、碰撞原因?qū)е碌臒崾Э?nbsp;】

電動汽車發(fā)生交通事故時會產(chǎn)生不同程度的碰撞，而強烈的外力因素也會同時作用到鋰離子電池，使得鋰離子電池箱體變形、破損，電池本身的配件被移位或損壞，電池的隔膜被撕裂導致電池內(nèi)部短路，易燃的電解質(zhì)泄漏出來。在所有的碰撞傷害對電池性能產(chǎn)生的破壞中，最為嚴重的當屬穿刺傷害，嚴重的穿刺傷害會直接插入電池本體，造成電池的正負極直接短路并加劇熱量集中生成爆發(fā)，引起發(fā)熱失控，嚴重破壞電池的正常性。

【 二、使用不當導致的熱失控 】

使用不當也是引起鋰離子電池熱失控的主要原因，具體體現(xiàn)在充電過度、放電過度、外部短路等幾大原因。相較于外部短路和充電過度，放電過度對鋰離子電池的危害相對較小，放電過程中的銅枝晶增長會降低電池的安全性，間接增加熱失控的幾率。外部短路時，電池的熱量不能有效散去，電池溫度升高并引發(fā)熱失控。充電過度是對鋰離子電池危害最大也是引起電池熱失控最主要的原因，充電過度會造成過量的鋰嵌入，鋰枝晶在陽極表面生長，鋰的過度脫嵌導致陰極結構因發(fā)熱和氧釋放而崩潰，氧氣的釋放會加速電解質(zhì)的分解，從而產(chǎn)生大量氣體，隨著內(nèi)部壓力的增加讓排氣閥打開，電池開始排氣。此時，電芯中的活性物質(zhì)與空氣接觸并發(fā)生劇烈反應，放出大量的熱，從而導致電池燃燒起火。

【 三、外部環(huán)境溫度過高導致的熱失控 】

外部環(huán)境溫度過高也是導致鋰離子電池發(fā)生熱失控事故的原因之一。當外部環(huán)境過高時，鋰離子自身的散熱加劇并無法有效分散，內(nèi)外的熱壓力聚集導致鋰離子溫度控制系統(tǒng)被破壞，無法起到應有的保護效果，從而造成短路引發(fā)熱失控。外部環(huán)境溫度過高的原因是多方面的，如電動汽車空調(diào)系統(tǒng)失靈、熱管理系統(tǒng)失效、外部碰撞導致鋰離子電池內(nèi)部結構被擠壓和損壞等，這些因素都可能導致外部環(huán)境溫度過熱，進而發(fā)生電池熱失控。

鋰電池過度充電實驗

電動汽車鋰電池安全性的提升策略

提高電池的安全性能包括電池生產(chǎn)、電池材料和電池管理三個方面，電池生產(chǎn)主要是保證電池的一致性，材料包括正、負極、電解液、隔膜，電池安全管理系統(tǒng)包括電池內(nèi)部、外部等數(shù)據(jù)監(jiān)測。

一致性要求

電動汽車用動力電池的整體性能取決于電池組中性能最差的單體電池，因此，各單體電池的性能一致能最大程度確保發(fā)揮動力電池的最佳性能。動力電池的一致性包括容量一致性、內(nèi)阻一致性、電壓一致性。如果某個單體電池的初始容量大或者是小，那么在充電時該單體電池就很容易過充或者放電時最先過放，從而產(chǎn)生熱失控。同樣，內(nèi)阻的一致性和電壓的一致性，對動力電池安全的影響巨大。

動力電池材料性能

從動力電池安全角度來講，動力電池材料性能主要指材料的導電性、導熱性和熱穩(wěn)定性，其中尤以熱穩(wěn)定性最為突出。為防止熱失控的產(chǎn)生，研究人員通過不同方法來提高材料的熱穩(wěn)定性。對于電解液，可通過添加功能添加劑、用離子液體取代有機溶劑、選擇熱穩(wěn)定性好的鋰鹽、采用聚合物電解質(zhì)的方法提高熱穩(wěn)定性。正極與電解液反應是熱失控的主要原因，選用 MgO/Al2O3/ZnO/SiO2/TiO2 等物質(zhì)對正極材料進行表面包覆，可提高正極材料的安全性。中間相碳微球 (MCMB) 的結構穩(wěn)定性較層狀石墨更好，隔膜在高溫下產(chǎn)生熱縮變形會增大微孔的尺寸，更有利于鋰離子的遷移，加快熱失控進程。可通過熱穩(wěn)定性更好的隔膜替代，也可采用添加少量 Al2O3 或 SiO2 納米粉的隔膜，提高隔膜的熱穩(wěn)定性。

電池安全管理系統(tǒng)

汽車動力電池最重要管理系統(tǒng)稱為BMS，其作用是監(jiān)測電池的電壓、電流、溫度、電量，防止電池過電流、過充、過放、過溫，一旦發(fā)現(xiàn)有這些情況的發(fā)生，就會中止充電進程，或者切斷電池對外供電，一定程度上能降低發(fā)生熱失控的幾率。但對電池內(nèi)部短路，比如枝晶、針刺引起的內(nèi)部短路，以及已經(jīng)發(fā)生的熱失控，BMS無能為力。但是鋰離子電池在熱失控的早期階段會產(chǎn)生一定量的氣體，為熱失控預警提供了一種有效監(jiān)測方法。研究表明，氣體相對于溫度、電壓、爬電距離等參數(shù)具有更短的響應時間。因此，通過產(chǎn)氣現(xiàn)象早期監(jiān)測鋰離子電池熱失控具有重要的一項安全預警措施。

慧聞科技自主研發(fā)的智能傳感器模組MSZ3005電池安全監(jiān)測模塊，可用于判斷當前環(huán)境中的危險氣體等級（CO，氫氣，DMC電解液等），可同時識別和檢測電池泄露的氣體含量，模組具有高靈敏度、高分辨率、低功耗的特點。同時也可以根據(jù)等級進行高低報警，該模組的傳感器是不同材料體系組成的多通道氣體傳感器，使用特定的調(diào)理電路和精確地算法來判定當前環(huán)境中三種危險氣體的預警等級，對于電池組安全的早期預警有非常實用的意義。

此外還有改善散熱性能的方案，熱失控反應鏈表明，如果電池產(chǎn)熱速度低于散熱速度，則溫度的自我強化循環(huán)就建立不起來，熱失控就不會產(chǎn)生。為此，有從業(yè)者研究了基于熱管冷卻的熱防護結構對防止熱失控的性能，整個熱防護結構由電池組、隔熱板、熱管組、冷卻介質(zhì)組成。在兩相鄰單體電池之間放置熱管組或隔熱層，熱管組中的銅片襯于熱管和單體電池之間，以增大散熱面積，依靠熱管組中液體的相變吸熱完成冷卻作用，隔熱板置于兩相鄰單體電池之間，用于隔離相鄰單體電池之間的熱傳遞。通過優(yōu)化隔熱措施和冷卻方式可有效提高電池組工作溫度的穩(wěn)定性，阻斷熱失控傳播。

該結構對降低熱失控的發(fā)生概率有一定作用，但效果有限，且加大了電池組的體積，增加了重量，目前這種方案還很難用于緊湊的汽車上，倒是在部分儲能系統(tǒng)中有應用案例。

結語

電動鋰電池作為新能源汽車的主流動力源，其安全、穩(wěn)定、可靠的性能是保證和加快新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要前提，也是實現(xiàn)建設資源節(jié)約型社會的重要途徑。因此，我們應在各個方面不斷完善提升，切實提高動力鋰電池的安全防控性能，更好地促進新能源汽車行業(yè)的進步與發(fā)展。

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