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車用鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性剖析_動(dòng)力電池事故主要原因

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發(fā)表時(shí)間:2017-03-30 14:54來(lái)源:金戈新材料

  金戈新材一直關(guān)注新能源汽車的發(fā)展動(dòng)向,針對(duì)電動(dòng)汽車的充電樁,動(dòng)力電池的導(dǎo)熱散熱性都在不斷深入研究,為新能源汽車的安全性得到更好的提高。


  中國(guó)“十二五”規(guī)劃大力支持以電動(dòng)汽車為主的新能源汽車新興產(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(shí)有發(fā)生,困擾著電動(dòng)汽車的發(fā)展。動(dòng)力電池安全性事故的常見(jiàn)形式及成因是什么?又該采取怎樣的防范措施?


  1 動(dòng)力電池安全性問(wèn)題


動(dòng)力電池安全性事故


圖1 近年來(lái)部分鋰離子動(dòng)力電池事故


  鋰離子動(dòng)力電池事故主要表現(xiàn)為因熱失控帶來(lái)的起火燃燒。如表1和圖1所示。


  鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性問(wèn)題表現(xiàn)為3個(gè)層次(圖2)。


  1)電池系統(tǒng)安全性的“演變”。即電池系統(tǒng)長(zhǎng)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(dòng)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(lái)的向周圍傳播的次生危害。


動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性問(wèn)題的層次


圖2 動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性問(wèn)題的層次


  2 動(dòng)力電池安全性演變


  2.1 “演化”與“突變”


  電池系統(tǒng)長(zhǎng)期老化帶來(lái)的可靠性降低,演化耗時(shí)長(zhǎng),可以通過(guò)檢測(cè)電池系統(tǒng)的老化程度來(lái)評(píng)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(cè),但是可以通過(guò)既有事故的形式來(lái)改進(jìn)電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。


  2.2 安全性演化機(jī)理


  電池系統(tǒng)任何部件的老化都可能帶來(lái)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(zhǎng)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(huì)降低;另一方面老化電池更容易發(fā)生熱失控。


鋰離子電池內(nèi)部金屬枝晶的生長(zhǎng)與隔膜的刺穿


圖3 鋰離子電池內(nèi)部金屬枝晶的生長(zhǎng)與隔膜的刺穿


  3 電池安全事故觸發(fā)


  3.1 熱失控機(jī)理


  經(jīng)過(guò)演變過(guò)程,電池事故將會(huì)進(jìn)入“觸發(fā)”階段。一般在這之后,電池內(nèi)部的能量將會(huì)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(huì)同時(shí)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(dòng)力電池的熱失控機(jī)理。熱失控過(guò)程分為了7個(gè)階段。


三元鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э? unlocked=


圖4 某款三元鋰離子動(dòng)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)


某款三元鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э夭煌A段的機(jī)理


圖5 某款三元鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э夭煌A段的機(jī)理


某款鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э氐姆蛛A段特征與機(jī)理


表2 某款鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э氐姆蛛A段特征與機(jī)理


  對(duì)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(huì)隨著反應(yīng)產(chǎn)生的氣體噴出,此時(shí)觀察到的會(huì)是白煙;反之則是黑煙。


  對(duì)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(duì)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(shí)釋放高壓積聚氣體的關(guān)鍵。


  3.2 事故觸發(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。


電動(dòng)汽車事故觸發(fā)的分類


圖6 事故觸發(fā)的分類


  4 熱失控在電池系統(tǒng)內(nèi)的擴(kuò)展

  4.1 熱失控?cái)U(kuò)展的危害


  熱失控觸發(fā)后,局部單體熱失控后釋放的熱量向周圍傳播,將可能加熱周圍電池并造成周圍電池的熱失控,從而發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)造成極大的危害。


  4.2 熱失控?cái)U(kuò)展的機(jī)理


  熱失控?cái)U(kuò)展過(guò)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(guò)電池極柱的導(dǎo)熱;3)單體電池起火對(duì)周圍電池的炙烤。


熱失控?cái)U(kuò)展


圖7 熱失控?cái)U(kuò)展的幾條可能路徑


     4.3 防范熱失控?cái)U(kuò)展與電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的矛盾


  措施:


  1)防止火焰的發(fā)生。設(shè)計(jì)閥體的噴射方向引導(dǎo)火焰的生成方向;加入滅火劑;保證密封性。


  2)考慮高溫氣體擴(kuò)散對(duì)電池系統(tǒng)其他部件的影響,及時(shí)排出高溫氣體。


  3)適當(dāng)阻隔電池之間的傳熱路徑,如在單體電池之間設(shè)置隔熱層。


  4)增強(qiáng)電池系統(tǒng)內(nèi)部的散熱;將故障電池周圍的電池進(jìn)行放電;在電池之間填充相變材料吸收熱量等方法來(lái)抑制熱失控的擴(kuò)展。


  矛盾:


  防范熱失控?cái)U(kuò)展的設(shè)計(jì)與電池系統(tǒng)的其他功能設(shè)計(jì)存在一定的矛盾,如加劇內(nèi)部溫度不均、降低比能量、增加成本等。協(xié)調(diào)此矛盾是電池系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)的重要議題之一。


  5 電池事故防范與安全性監(jiān)控


  除熱失控?cái)U(kuò)展的防范之外,動(dòng)力電池系統(tǒng)需要全方位的事故防范措施與安全性監(jiān)控措施。


  1)鋰離子動(dòng)力電池在大規(guī)模生產(chǎn)銷售之前,必須要通過(guò)相關(guān)的安全性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。


  2)以防范熱失控事故為核心,動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)需要考慮事故的“演變”、“觸發(fā)”與“擴(kuò)展”等因素。還要對(duì)于各個(gè)部件的失效模式有清楚的認(rèn)識(shí)。


  3)動(dòng)力電池系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中需要進(jìn)行妥善的管理,并對(duì)于可能的事故觸發(fā)傾向進(jìn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)警。


  6 結(jié)論


  動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性問(wèn)題主要分為3個(gè)層次,即“演變”、“觸發(fā)”與“擴(kuò)展”。從這三個(gè)層次出發(fā),深入研究各個(gè)層次的機(jī)理及其演變過(guò)程,提出有效的事故防范措施和安全性監(jiān)控措施,是下一步研究的工作重點(diǎn)。


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