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自燃事故频发 电池热失控“挡道”电动汽车

   次浏览   电池中国网   2019-10-07

锂离子电池安全与否,归根到底取决于电池能否避免热失控。

当电池温度过高或充电电压过高时,比如出现碰撞、短路和过充,负反应就会被引发。

此时电池内的热量如果得不到及时疏散,就会引起电池内温度和压力急剧上升。

想要提高电池的安全性,需从三个层面入手:材料、单体、系统。


80多例

2011年—2018年9月间,我国电动乘用车事故达80多例。


35%

其中35%由电池内部短路引发。


16%

充电中的问题,如过度充电,占16%。


18%

另有18%事故由机械外力引发,如碰撞。


从333型到523型再到811型,市面上镍钴锰三元电池的正极材料比例越来越“失衡”,电池的能量密度越来越高,里程越来越长,安全问题却也频现,成为动力电池发展过程当中绕不过的一座“大山”。


烟雾、火灾甚至爆炸,都是最常见的锂离子电池事故特征,而这些故障的根源大都来自于电池热量的“失控”。如何将电池内的热管理工作做好,为电池中的热量分子们戴上“紧箍咒”,已成为未来解决动力电池安全的必答题。


电动车自燃事故频发


电动汽车事故俨然已不是什么新鲜事。1月30日,长沙市雨花区鑫天佳园小区5栋架空层处,一排正在充电的电动车突然起火,7辆电动车瞬间被烧成骨架。对此,充电桩公司维护工作人员翁师傅认为,“可能是电动车自燃引起的,因为充电桩有自动断电关闸的功能。”2018年8月,该小区安装了两台智能充电桩,每天都有几十台车在此充电。


时值寒冬,动力电池尚且“控制”不住自己燃烧的“心”,在火热难挡的盛夏就更“难以自制”了。据不完全统计,在2018年8月,仅半个月的时间内就发生了6起电动汽车起火事件:8月19日,深圳一辆微型电动面包车在充电过程中起火;8月22日,山东聊城一辆快递电动货车着火;8月25日,成都一辆威马EX5在威马汽车研究院园区内发生自燃;8月26日,安徽铜陵一辆安凯电动客车在路边起火;8月28日,一辆正在充电的厢式电动车起火;8月31日,广州街头一辆力帆650EV起火……


动力电池的自燃“属性”令人不得不对新能源汽车的安全性打上一个“问号”:动力电池到底因何而自燃?中国汽车技术研究中心首席专家王芳提供的数据显示:2011年—2018年9月间,我国发生的电动乘用车事故达80多例,其中35%是由电池内部短路引发的;16%则是在充电过程中出现的,比如过度充电;18%为机械外力因素的影响,如碰撞;还有3%为进水;剩下的则是由不明原因造成的。


电池热失控是“罪魁祸首”


“锂离子电池安全与否,归根到底取决于电池能否避免热失控。”武汉大学教授艾新平介绍,在锂电池中,除了我们熟知的正常充放电反应外,还存在着潜在的负反应。在电池的正常温度和正常电压范围内,不会发生这些负反应;但当电池温度过高或充电电压过高时,比如碰撞、短路和过充,这些负反应就会被引发。此时电池内的热量如果得不到及时疏散,就会引起电池内温度和压力急剧上升。


“温度越高,电池负反应的反应速度就越大,最终导致电池进入一个无法控制的自加温状态,也即热失控状态。它是导致电池发生爆炸和燃烧的主因。”艾新平进一步解释。


“在电池正常放电的情况下,我们通过测量不同充放电倍率下的物理产热现象,发现电池运作所产生的热量如果不及时导送出去,就会使电池体系温度升高,引起电池的化学反应,最后造成电池的失控。”中国科技大学教授孙金华对此持相同观点。


据了解,目前市面上能被工业化应用的电池种类主要有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元等,其主要区别就在于所使用的正极材料不同。“采用不同的正极材料,锂离子电池的安全性就不同。”艾新平解释,这是由于正极在电池中所占的质量比是最大的,常规来说放热量也是最大,“因此正极材料的选择对电池的安全性影响非常大。”


三个层面进行热管理


“要提高电池的安全性,需从三个层面入手。一是材料层面,二是单体层面,第三个层面是系统层面。”艾新平介绍,在材料层面,要重点提高材料和界面的热稳定性,降低其产热量;在单体层面,除优化电池热设计外,更重要的是发展热保护技术,如PTC电极、热关闭隔膜等;在系统层面,则需重点开展隔热设计,防止热扩展。


研究表明,在对电池系统的热分析中,磷酸铁锂的热稳定性从材料上来讲是最好的。“电池的安全性首先取决于自身材料的安全性。”上海交通大学特聘教授马紫峰指出,要增加电池的安全性,高能量的电池就可能需要在系统设计当中加入特定的保护装置,比如说冷却系统、防爆系统等。


在单体层面,除了常规的热安全设计外,更重要的是要建立单体自激发热保护。“让单体能根据自身感受的温度,调整自己的电流输出或功率输出。电池如果可以关闭反应,其产热也就终止了。”艾新平指出,PTC热敏电阻材料的一个重要特征就是温度升高到一定程度时,该材料就会从一个良好的导电态变成绝缘态,这将是单体热保护技术中的重要路径之一。


除材料和单体的影响,系统也是电池安全性热管理中不可缺失的一环。“在系统中,对电池状态的估计非常重要,要用数学模型将其精确描述出来,并与电池的模型中的材料化学体系对应起来。”马紫峰表示。


“提高材料或界面的热稳定性,开发单体自激发热保护技术,以及系统热扩展防范技术,可有效改善电池系统的安全性,未来需加强研究。”艾新平表示,电池的安全性问题将伴随电池比能量提高而变得愈加严峻,但不应由此否定动力电池技术路线和发展趋势,正确面对并积极探索一些新的安全性技术,以促进电池技术进步。

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