動力電池熱失控與擴展分析

 

所謂熱失控（thermalrunaway）是指單體電池放熱連鎖反應引起電池自溫升速率急劇變化，不可逆，引起過熱、起火、爆炸現象。

 

熱失控擴展（thermalrunawaypropagation）是指電池包，或者電池系統內容的單體電池或者電池模組單元熱失控，并觸發電池系統中相鄰或其他部位的動力電池的熱失控的現象。

 

圖1為清華大學得到的某款常見材料的鋰離子動力電池熱失控的機理，可以看到熱失控發生時，各種材料相繼發生熱化學反應，放出大量的熱量，形成鏈式反應效應，使得電池體系內部溫度不可逆快速升高。鏈式反應過程中，電解液氣化及副反應產氣造成電池體系內壓力升高，電池噴閥破裂后，可燃氣體被點燃發生燃燒反應。單體電池的熱失控特性表現為其組成材料反應熱特性的疊加。

 

（1）熱失控誘因

 

熱失控主要誘因包括：機械誘因、電誘因和熱誘因。以上誘因可單獨或者結合引發熱失控。

 

機械誘因引發的熱失控及擴展引起火災的典型案例包括全球銷量領先的美國通用公司的VOLT插電式混合動力轎車在碰撞后發生著火的研究結果，如圖8所示。以及全球最受歡迎的純電動轎車特斯拉ModelS運行過程中由于底盤被路上突出物刺穿，引發著火。

 

電誘因引發的電動汽車著火的案例中典型代表是中國某品牌公交車在充電站由于過充電引發著火事件（如圖2所示），以及特斯拉ModelS在冬季低溫充電發生著火的事故等，如3所示。

 

圖2 電動公交車過充引發著火

 

圖3 低溫充電引發著火

 

熱觸發熱失控引起電動汽車起火的典型例子是一輛豐田普銳斯插電式混合動力轎車在運行中起火，其原因是一個連接部件的松動使得系統產生高溫，從而引發電池包的熱失控與擴展。

 

電動汽車高壓系統在水浸泡可觸發熱失控，從而引起電動汽車著火，典型案例是南京純電動公交車在大雨過后的積水里浸泡后一段時間后著火，如圖4所示。

 

圖4 純電動客車在水中浸泡一段時間后著火
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以上熱失控誘因是直接可觀的，除此之外，對于使用中的電動汽車有一個生命周期安全性問題，比如使用一段時間的電動汽車在無任何觸發事件情況下會發生由電池部件的熱失控引發的自燃，如圖5所示公交車在場站靜置?？繒r自燃，并且引燃了附近?？康墓卉?，造成較大損失。

 

圖5 停靠在站內的電動公交車電池包自燃（生命周期安全問題）

 

（2）熱失控機理

 

在外部誘因作用下，經過演變過程，電池事故將會進入“觸發”階段。一般地，進入觸發階段之后，鋰離子動力電池內部的能量將會在瞬間集中釋放，此過程不可逆且不可控，即熱失控。熱失控后的電池發生劇烈升溫，在高溫下可以觀察到冒煙、起火與爆炸等危險現象。

 

當然，從廣義的“安全性”的定義來看，電池安全事故中，也可能不發生熱失控。比如電池發生碰撞事故后并不一定發生熱失控；而電池組絕緣失效造成人員高電壓觸電，電池漏液產生異味造成車載人員身體不適等情況下，電池也不會發生熱失控。在動力電池系統的安全設計當中，以上情況都需要考慮。

 

而熱失控則是安全性事故最常見的事故原因，也是鋰離子動力電池安全性事故特有的特點。大量實驗現象表明，熱失控后的電池不一定會同時發生冒煙、起火與爆炸，也可能都不發生，這取決于電池材料發生熱失控的機理。

 

對于冒煙的情況而言，在階段V，如果電池內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產生的氣體噴出，此時觀察到的會是白煙；而如果電池內部溫度高于660℃，正極集流體鋁箔熔化，電池正極涂層隨著反應產生的氣體大量噴出，此時觀察到的會是黑煙。

 

對于起火的情況而言，熱失控事故中的起火一般是由于電解液及其分解產物被點燃造成的。所以，從階段II開始，從安全閥泄漏出來的電解液就有可能被點燃而起火。

 

從燃燒反應的三要素（可燃物，氧氣，引燃物）來看，可燃物即是電解液；氧氣在電池內部存在不足，因此電解液需要泄漏出來才會發生起火；引燃物可能來自于電池外短路產生的電弧，也可能來自熱失控時，高速噴出的氣體與安全閥體摩擦所產生的火星。

 

對于爆炸的情況而言，爆炸一般表現為高壓氣體瞬間擴散造成的沖擊。電池內部具有高壓氣體積聚的條件，而安全閥則是及時釋放高壓積聚氣體的關鍵。安全閥體如能在電池殼體破裂之前開啟，并釋放足夠多的在熱失控過程中產生的高壓氣體，電池就不會發生爆炸；安全閥體如不能及時開啟，就可能會發生爆炸事故。

 

動力電池安全性技術標準需求

 

安全性測試標準對于提升動力電池的安全性水平尤為重要?；谏鲜鰟恿﹄姵匕踩詥栴}的梳理，對相應的安全性技術測試標準提出了迫切的需求。目前國內采用的動力電池安全性測試的標準主要包括和。

 

GB/T31485-2015主要考核動力電池單體和模組的安全指標，圍繞化學能的防護，給出了一系列濫用情況以及極端情況下的安全要求和檢驗規范。GB/T31467側重于電池包或電池系統級的檢驗規范。GB/T31467.3-2015主要針對安全要求和測試方法做了明確的規定。結合GB/T31485-2015，構成了從電池單體、模組、到動力電池包和動力電池系統的完整的化學能防護規范。目前，總體上動力電池相關測試標準較國外嚴格。

 

表1 GB/T31485-2015標準測試內容

 

表2 GB/T31467.3測試內容

 

表3 目前動力電池安全性標準與需求

 

通過上述分析可以看出，在動力電池安全性標準方面，目前模塊、系統對熱失控的防熱誘因測試方面，以及單體、模組和系統的生命周期安全性測試標準缺失，亟待研究與制定?，F行國家安全標準主要