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德耐隆浅谈动力锂电池的安全性及事故分析

   次浏览   本站   2021-07-26

随着我国新能源汽车市场的进一步发展,动力电池系统的市场也开始遍地开花,并且逐步进入一种狂热状态。动力电池热管理系统是影响电动汽车电池效能的重要因素,研究表明锂电池在适当的温度下工作能够有效的提高其续驶里程及使用寿命,且能提高整车的安全性和可靠性,因此电池热管理系统是新能源汽车设计与研究中的最重要问题之一。

在新能源汽车领域,锂离子电池由于具备相对较高的能量密度、输出功率等特点得到越来越广泛的应用。但锂离子电池的性能及寿命会随着不断地使用而衰减,更重要的是在不同的使用环境下会有不同的状况。比如在寒冷低温下容易出现比容量低、衰减严重等现象,高温下存在热失控导致自燃自爆的隐患。

从热失控的触发间隔时间来说总体有一点波动,但是并没有明显的单调变化的规律,基本都是一节电芯。一开始一节电芯的充电电流是所有电芯公共分摊得来,但是随着热扩散的进行还存活的健康电芯越来越少。

锂离子电池的危险性

锂离子电池从其自身的化学特性和体系组成上,决定了其是一种具有潜在危险的化学电源。

对于电动汽车起火现象,北京理工大学熊瑞教授表示,从2019年的数据来看,有41%的自燃现象都是在停车过程中发生的。有4大故障原因会导致电池热失控,包括内部短路、外部短路、过充和过放。根据研究数据,有56%的事故是因为电池的内部短路而导致的,有16%是由外部短路导致的,18%是由过充导致的,从已经通报的事故中,没有事故是因为过放导致的。

对于热失控,中国汽车技术研究中心有限公司动力电池首席专家王芳认为,在目前的技术条件下,单体电池热失控是不可避免的。所以在电池安全防护方面,要有及时的监控,就是热失控监控的信号。王芳表示,我们当然希望电池不会失控,也不会有整体的扩散。但是如果一旦扩散,留给人们逃生的时间不超过10秒。

在现有的条件情况下,既然热失控不可避免发生,我们就迫切需求一种材料能拖延热失控带来的连锁效应。

锂离子电池产品安全问题原因分析

锂离子电池产品经过30年的产业化发展,安全技术取得了长足的进步,有效地控制了电池内副反应的发生,保证了电池的安全性。但是,随着锂离子电池的使用越来越广泛,能量密度越来越高,近年来还是屡屡发生爆炸伤人或因安全隐患召回产品等事件。我们总结造成锂离子电池产品安全问题的原因主要有以下几点:

1 电芯材料问题

电芯所用的材料包括:正极活性物质、负极活性物质、隔膜、电解质和外壳等,材料的选用和所组成体系的匹配决定着电芯的安全性能。在选用正、负极活性材料和隔膜材料时,厂家没有对原材料特性和匹配性进行一定的考核,造成了电芯安全性的先天不足。

2 生产工艺问题

电芯原材料检测不严,生产环境差,导致生产中混入杂质,不仅对电池的容量有较大的不利,对电池的安全性也有很大的影响;另外,电解液中如果混入了过多的水分, 可能就会发生副反应而增大电池内压,对安全造成影响;由于生产工艺水平的限制, 在电芯的生产过程中,产品无法达到良好的一致性,比如电极基体平整度差、电极活性材料出现脱落、活性材料中混入其它杂质、极耳焊接不牢、焊接温度不稳定、极片边缘有毛刺以及关键部 位无使用绝缘胶带等问题,都可能会对电芯的安全 性带来不利的影响。

3 电芯设计缺陷,安全性能降低

在结构设计上,许多对安全有影响的关键点没有被厂家重视,如关键部位没有绝缘胶带,隔膜设计没有留有余量或余量不足,正负极容量比设计不合理,正负极活性物质面积比设计不合理,极耳长度设计不合理等,这些都可能对电池的安全性埋下隐患。另外在电芯的生产过程中,一些电芯生产厂家为了节省成本和提高性能,尽量节省和压缩原材料,如减少隔膜面积、减薄铜箔、铝箔以及不使用泄压阀、不使用绝缘胶带等,这些都会降低电池的安全性。

4 能量密度过高

目前市场上都在追求更高容量的电池产品,厂家为了增加产品竞争力,不断提高锂离子电池的体积比能量,这在很大程度上增加了电池的危险性。

什么原因造成动力电池热失控

造成锂离子动力电池热失控事故的触发原因很多,根据触发的特征,可以分为机械触发、电触发和热触发。3类触发形式具有一定的内在联系。一般地,机械触发会引发短路并造成电触发,而电触发产热造成了热触发,热触发造成的热失控是事故触发的核心。其他触发形式的机理分析都离不开对于热触发机理的研究。对于热触发机理的研究,最为理想的研究仪器是绝热量热仪,对于大型动力电池而言,需要采用大型动力电池量热仪(EV-ARC)来进行热失控特性的测试。

机械触发包括挤压、针刺、跌落等,主要特征是电池受力发生形变;电触发包括外短路、内短路、过充电、过放电等,主要特征是触发过程中存在电流流动;热触发包括异常加热、火焰加热等,主要特征是电池持续吸收环境中的热量而温度升高。

防范热失控扩展

首先,需要防止火焰的发生。可以通过阀体喷射方向的设计,来引导火焰的生成方向;也可以加入灭火剂来进行灭火。当然,动力电池系统通过了安全性测试标准,火焰发生的概率已经得到降低;同时,动力电池系统密封性良好使电池系统内部氧气含量不足,也不利于火焰的生成与发展。其次,要考虑高温气体扩散对电池系统其他部件的影响。部分电池已经具有能够及时排出高温气体的系统。

同时,要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。需要注意的是,在热管理中,电池壳体间可能预留有空气空隙以供风冷,并将相邻电池隔开。但是在热失控扩展过程中,热失控电池膨胀,空气空隙将因为电池的膨胀而消失。此时,电池与电池之间的传热仍然是快速导热,用单纯预留空气空隙的方法防范热失控扩展是行不通的。

另外,可以通过在单体热失控触发之后,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。

新材料的应用

多个分析结果显示热失控的电芯通过电池组外壳向下一节电池的传热是主要的传热路径,通过极柱连接片的传热量相对来说非常小。同时,有较多的热量传递回上一节电芯或扩散到电池包的环境中。

热失控蔓延会受到抑制是因为电芯之间的传热量减少。而电芯向环境的传热量增加,热失控蔓延的判断是要看另一节电芯的最高温度是否达到热失控触发温度。因此,各种热传递路径是否造成下一节电芯局部热点可能是更重要的。

部分电池包生产商会通过填充物实现隔离来防止热失控蔓延。隔离的目的是阻断传播,它包括电池包内的隔离,电池包外的隔离。电池包内的隔离包括利用纵横梁对模组进行隔离,利用耐火隔热材料填充进行隔离。根据分析可大致分为以下两种:

一、这些结构要能够耐高温,导热率越低越好;同时,在各自区域的电池箱下壳体底部和侧面均设置有云母纸,要求耐温500-800℃高温,阻燃UL94V-0。

二、采用耐火隔热材料,在动力电池包与车辆之间建立隔热屏障,延缓电池箱高温扩散至乘客舱。

被动防护的很大一部分工作是传递给零部件企业或材料企业,他们需要提供好的防爆产品和耐火隔热材料。动力电池包层面重要的工作则是构建一个有效的防护系统,将各种方案和技术配置一个最适合自己的设计。而广州市绿原环保材料有限公司研发的德耐隆改性耐火隔热毡成本更低效果更好的抑制热失控蔓延。

德耐隆改性耐火隔热毡材料能在各种电子设备和汽车应用中脱颖而出,并且能应对大容量动力电池系统和其他部件的设计和生产的挑战,主要归功于以下特点:

•产品密度150kg/m³(GB/T5480-2008)

•长期服务温度 -200℃至1200℃ (GB/T17430-1998;ASTM C 447)

•压缩强度(变形10%:≥67kPa;变形25%:≥250kPa)

•产品憎水率≥98%(GB/T10299-2011)

•导热系数不高于0.02W/m.k(GB/T10295-2008;ASTM C 447)

•加热线收缩率<2%@650℃(ASTM C 356)

•燃烧等级 A级(GB 8624-2012)

该产品由二氧化硅及陶瓷纤维毡复合制备而成,产品内部具有纳米级 空隙可以减慢热传导,提供最低的热传导值,抗热冲击性优异。该纤维毡能够在压缩70%后完全回弹,能够承受自身重量的数千倍的重压而不发生碎裂,过千次压缩循环测试后仍具有很好的回弹性。更重要的是,这种纳米氧化硅纤维毡能够在1500℃丁烷火焰和液氮中保持良好的柔性,长期使用温度为1200℃。高温下稳定性好,不脆裂。可作为高温隔热密封垫,阻隔热短路,熔融金属处密封垫,隔离(防烧结)材料领域。

德耐隆浅谈动力锂电池的安全性及事故分析

基于相变材料的抑制电池组高温热失控而填充制备了热响应、超强、超薄(1 mm)的柔性德耐隆改性耐火隔热毡复合材料,用于分级抑制电芯之间热失控蔓延。改性耐火隔热毡中的改性材料在正常条件下具有可靠的导热性,在高温下具有较高的热灵敏度。热失控产生后随着电芯的高温会引起德耐隆改性耐火隔热毡的汽化,伴随吸收大量的热量,并释放大量的灭火剂。改性材料释放后剩余的德耐隆改性耐火隔热毡,具有超低的热导率小于(0.02W/m.k),可以继续阻止热量电芯之间传递,在一定程度上抑制系统级的热失控。因此,带有这种改性耐火隔热毡的电池组在正常工作温度下显能够正常热管理,并且在异常条件下具有很高的阻断热失控的能力。此外,它具有可批量化生产、加工性能好、触发温度可调等特点,可用于制造一系列先进、安全、耐用的改性耐火隔热毡。其应用领域甚至可以扩充到油罐应急材料、空间探测和消防设备等。


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