動力電池安全性是新能源汽車大規(guī)模推廣應(yīng)用過程中，各方最關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一。這里闡述鋰離子動力電池作為車用電源系統(tǒng)的安全性問題及其有效的解決方案。
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)”和“擴(kuò)展”。“演變”是指動力電池安全性事故發(fā)生之前，故障可能經(jīng)歷了長期的演化過程;“觸發(fā)”是“演變”過程的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也可以是突發(fā)情況破壞了動力電池系統(tǒng)，并導(dǎo)致安全性事故。在動力電池安全性事故“觸發(fā)”問題上，最為核心的問題是鋰離子動力電池的熱失控。熱失控“觸發(fā)”發(fā)生后，應(yīng)防止熱失控“擴(kuò)展”的發(fā)生。
以下我們首先從近年的一些鋰電池安全故事切入，引出“演變”、‘“觸發(fā)”和“擴(kuò)展“的概念。之后 ，將就這3個層次一一展開說明。
1、鋰動力電池安全事故回顧
表1為不完全統(tǒng)計得到的近年來發(fā)生的鋰離子動力電池事故。圖1列舉了表1中部分事故所對應(yīng)的圖片。
可以看出，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。起火燃燒是令人擔(dān)憂的安全性問題，但事實上，目前發(fā)生的事故所造成的危害有限，除電池組燃燒、損壞車輛本體、引燃周圍車輛之外，發(fā)生人員傷亡的情況較為罕見。
大部分事故中，人員能夠及時得到危險警示并安全撤離事故現(xiàn)場。事故4(比亞迪出租車碰撞起火事故)中的人員傷亡主要是由于高速碰撞造成車內(nèi)乘員昏厥而無法逃生，事故5(波音787電池起火事故)中的人員受傷是由于飛機(jī)緊急降落后的疏散過程中發(fā)生的摔傷。
鋰離子動力電池系統(tǒng)由多節(jié)電池組成，實際的車載工作條件復(fù)雜，其安全性問題表現(xiàn)為3個層次(圖2)。
1)電池系統(tǒng)安全性的“演變”。安全性事故發(fā)生前，有兩種情況。一種是電池系統(tǒng)長期老化帶來的可靠性降低，也稱之為安全性“演化”，比如表1中的事故1、2、3、5、7;另一種是突發(fā)事件造成電池系統(tǒng)損壞并引發(fā)電池?zé)崾Э嘏c起火燃燒，也稱之為安全性“突變”，比如表1中的事故4和6。安全性的“演化”與“突變”統(tǒng)稱為“演變”。
2)電池系統(tǒng)安全性事故的“觸發(fā)”。電池系統(tǒng)長期老化與突發(fā)事件造成的電池系統(tǒng)損壞，可能會進(jìn)一步“演變”為鋰離子動力電池的熱失控與起火燃燒。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)稱為“觸發(fā)”。
3)電池系統(tǒng)安全性事故的“擴(kuò)展”。單體電池或電池組內(nèi)部分電池發(fā)生熱失控“觸發(fā)”之后，熱失控與燃燒短時間內(nèi)放出大量的熱量。這些熱量向周圍電池與電池系統(tǒng)附件傳遞，會帶來相應(yīng)的次生危害，如周圍電池依次發(fā)生熱失控與燃燒，或火焰?zhèn)鞑c(diǎn)燃車內(nèi)線束與內(nèi)飾等。這類熱失控與起火向周圍傳播的現(xiàn)象稱為事故的“擴(kuò)展”。
2、鋰動力電池安全性“演變”
安全性事故發(fā)生前有兩種情況。一種是電池系統(tǒng)長期老化帶來的可靠性降低，也稱之為安全性“演化”，如表1中的事故1、2、3、5、7;另一種是突發(fā)事件造成電池系統(tǒng)損壞并引發(fā)電池?zé)崾Э嘏c起火燃燒，也稱之為安全性“突變”，如表1中的事故4和6(Tesla高速撞擊起火事故)。
從時間尺度上看，安全性演化的耗時很長，而安全性突變的耗時很短。例如，事故1(普銳斯電池冒煙起火事故)屬于安全性演化，因裝配問題造成的接頭松動之前，電池經(jīng)受了長期的車載振動;事故5(波音787電池起火事故)中屬于安全性演化，從設(shè)計缺陷到內(nèi)短路觸發(fā)之前，電池需要經(jīng)歷長期的內(nèi)短路“生長孕育期”及長期的不合理使用;而事故6屬于安全性突變，動力電池組受到瞬間撞擊后機(jī)械變形，電池不僅受到擠壓并且發(fā)生位置移動，從而造成短路與熱失控。
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;而安全性演化耗時長，伴隨有電池系統(tǒng)的老化，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。
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)。事故1(普銳斯電池冒煙起火事故)中，錯誤的裝配順序使得電池連接線接頭在長期車載振動條件下發(fā)生松動，繼而導(dǎo)致接頭處電阻增大。
而混合動力電動車行駛過程中，電池充放電的電流在松動的接頭處產(chǎn)生大量的熱量，加熱了部分電池，最終導(dǎo)致電池?zé)崾Э厥鹿实陌l(fā)生。事故7中，電池管理系統(tǒng)的失效，造成電池組長期持續(xù)過充電，最終導(dǎo)致熱失控事故的發(fā)生。
除了電池系統(tǒng)其他部件的老化之外，電池本身的安全性演化主要表現(xiàn)為內(nèi)短路的發(fā)展。內(nèi)短路被認(rèn)為是系列事故5的主要原因。內(nèi)短路在最終發(fā)生之前，會經(jīng)歷相當(dāng)長的“生長孕育期”。鋰離子動力電池發(fā)生內(nèi)短路的原因很多，其中電池內(nèi)部的金屬枝晶生長是造成內(nèi)短路的主要原因之一。
金屬枝晶生長可以來自電池正極中的過渡金屬(銅、鐵等)的溶解與再生長，也可以來自鋰金屬的析出與生長。電池設(shè)計與生產(chǎn)過程中的缺陷會有利于金屬枝晶的生長，比如電池在制造過程中混入的雜質(zhì)，或者電池極片由于裝配應(yīng)力作用發(fā)生的褶皺，金屬枝晶在雜質(zhì)和褶皺附近更容易生長。鋰金屬的析出與生長還與充電倍率，充電溫度相關(guān)。大倍率充電或低溫充電都可能增加鋰金屬析出的可能。
如圖3所示，金屬枝晶的長期生長可能會擠入隔膜的孔隙，并最終刺穿隔膜，造成內(nèi)短路甚至熱失控事故。需要注意的是，鋰枝晶生長刺穿隔膜導(dǎo)致熱失控之前，老化電池的安全性相對新鮮電池而言已經(jīng)發(fā)生了變化：一方面，由于能量密度的降低，電池?zé)崾Э卦斐傻奈：赡軙档?但另一方面，由于內(nèi)部金屬枝晶的存在，老化后的電池可能更容易發(fā)生熱失控。
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