浅谈电动汽车锂电池的安全性保障措施

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2023-01-06 07:53:47 582

在电动汽车涉及的三大核心技术中心，电池、点机还有电控中，可以说电池技术还有与之配套的相关的设施是人们普遍关心的问题。无论是对于已经使用了将近一个世纪的铅酸电池还是目前人们普遍关注的锂离子电池，相关从业者一直在探索其性能、安全与成本之间最佳的应用方案。

IDM&MSZ

电动汽车锂电池安全隐患分析

电池过热而造成的热失控是锂离子电池起火的主要原因，常发生在电池充电与放电的过程中。由于锂离子本身具有一定的内阻，在电能输出保证电动车能量供给的同时自身也会产生一定的热量，这种持续的热量会使得锂离子电池本身的温度变高。锂离子电池是由多个单体电芯构成的整体，当电池温度处在持续升温的状态下，能量供给过程中产生的大量热能就聚集在狭小的电池箱体中，在超出其正常的工作温度和承受极限时，便会严重损害锂离子电池的使用寿命，甚至导致锂离子电池热失控起火或爆炸。

【 一、碰撞原因导致的热失控 】

电动汽车发生交通事故时会产生不同程度的碰撞，而强烈的外力因素也会同时作用到锂离子电池，使得锂离子电池箱体变形、破损，电池本身的配件被移位或损坏，电池的隔膜被撕裂导致电池内部短路，易燃的电解质泄漏出来。在所有的碰撞伤害对电池性能产生的破坏中，最为严重的当属穿刺伤害，严重的穿刺伤害会直接插入电池本体，造成电池的正负极直接短路并加剧热量集中生成爆发，引起发热失控，严重破坏电池的正常性。

【 二、使用不当导致的热失控 】

使用不当也是引起锂离子电池热失控的主要原因，具体体现在充电过度、放电过度、外部短路等几大原因。相较于外部短路和充电过度，放电过度对锂离子电池的危害相对较小，放电过程中的铜枝晶增长会降低电池的安全性，间接增加热失控的几率。外部短路时，电池的热量不能有效散去，电池温度升高并引发热失控。充电过度是对锂离子电池危害最大也是引起电池热失控最主要的原因，充电过度会造成过量的锂嵌入，锂枝晶在阳极表面生长，锂的过度脱嵌导致阴极结构因发热和氧释放而崩溃，氧气的释放会加速电解质的分解，从而产生大量气体，随着内部压力的增加让排气阀打开，电池开始排气。此时，电芯中的活性物质与空气接触并发生剧烈反应，放出大量的热，从而导致电池燃烧起火。

【 三、外部环境温度过高导致的热失控 】

外部环境温度过高也是导致锂离子电池发生热失控事故的原因之一。当外部环境过高时，锂离子自身的散热加剧并无法有效分散，内外的热压力聚集导致锂离子温度控制系统被破坏，无法起到应有的保护效果，从而造成短路引发热失控。外部环境温度过高的原因是多方面的，如电动汽车空调系统失灵、热管理系统失效、外部碰撞导致锂离子电池内部结构被挤压和损坏等，这些因素都可能导致外部环境温度过热，进而发生电池热失控。

锂电池过度充电实验

电动汽车锂电池安全性的提升策略

提高电池的安全性能包括电池生产、电池材料和电池管理三个方面，电池生产主要是保证电池的一致性，材料包括正、负极、电解液、隔膜，电池安全管理系统包括电池内部、外部等数据监测。

一致性要求

电动汽车用动力电池的整体性能取决于电池组中性能最差的单体电池，因此，各单体电池的性能一致能最大程度确保发挥动力电池的最佳性能。动力电池的一致性包括容量一致性、内阻一致性、电压一致性。如果某个单体电池的初始容量大或者是小，那么在充电时该单体电池就很容易过充或者放电时最先过放，从而产生热失控。同样，内阻的一致性和电压的一致性，对动力电池安全的影响巨大。

动力电池材料性能

从动力电池安全角度来讲，动力电池材料性能主要指材料的导电性、导热性和热稳定性，其中尤以热稳定性最为突出。为防止热失控的产生，研究人员通过不同方法来提高材料的热稳定性。对于电解液，可通过添加功能添加剂、用离子液体取代有机溶剂、选择热稳定性好的锂盐、采用聚合物电解质的方法提高热稳定性。正极与电解液反应是热失控的主要原因，选用 MgO/Al2O3/ZnO/SiO2/TiO2 等物质对正极材料进行表面包覆，可提高正极材料的安全性。中间相碳微球 (MCMB) 的结构稳定性较层状石墨更好，隔膜在高温下产生热缩变形会增大微孔的尺寸，更有利于锂离子的迁移，加快热失控进程。可通过热稳定性更好的隔膜替代，也可采用添加少量 Al2O3 或 SiO2 纳米粉的隔膜，提高隔膜的热稳定性。

电池安全管理系统

汽车动力电池最重要管理系统称为BMS，其作用是监测电池的电压、电流、温度、电量，防止电池过电流、过充、过放、过温，一旦发现有这些情况的发生，就会中止充电进程，或者切断电池对外供电，一定程度上能降低发生热失控的几率。但对电池内部短路，比如枝晶、针刺引起的内部短路，以及已经发生的热失控，BMS无能为力。但是锂离子电池在热失控的早期阶段会产生一定量的气体，为热失控预警提供了一种有效监测方法。研究表明，气体相对于温度、电压、爬电距离等参数具有更短的响应时间。因此，通过产气现象早期监测锂离子电池热失控具有重要的一项安全预警措施。

慧闻科技自主研发的智能传感器模组MSZ3005电池安全监测模块，可用于判断当前环境中的危险气体等级（CO，氢气，DMC电解液等），可同时识别和检测电池泄露的气体含量，模组具有高灵敏度、高分辨率、低功耗的特点。同时也可以根据等级进行高低报警，该模组的传感器是不同材料体系组成的多通道气体传感器，使用特定的调理电路和精确地算法来判定当前环境中三种危险气体的预警等级，对于电池组安全的早期预警有非常实用的意义。

此外还有改善散热性能的方案，热失控反应链表明，如果电池产热速度低于散热速度，则温度的自我强化循环就建立不起来，热失控就不会产生。为此，有从业者研究了基于热管冷却的热防护结构对防止热失控的性能，整个热防护结构由电池组、隔热板、热管组、冷却介质组成。在两相邻单体电池之间放置热管组或隔热层，热管组中的铜片衬于热管和单体电池之间，以增大散热面积，依靠热管组中液体的相变吸热完成冷却作用，隔热板置于两相邻单体电池之间，用于隔离相邻单体电池之间的热传递。通过优化隔热措施和冷却方式可有效提高电池组工作温度的稳定性，阻断热失控传播。

该结构对降低热失控的发生概率有一定作用，但效果有限，且加大了电池组的体积，增加了重量，目前这种方案还很难用于紧凑的汽车上，倒是在部分储能系统中有应用案例。

结语

电动锂电池作为新能源汽车的主流动力源，其安全、稳定、可靠的性能是保证和加快新能源汽车产业发展的重要前提，也是实现建设资源节约型社会的重要途径。因此，我们应在各个方面不断完善提升，切实提高动力锂电池的安全防控性能，更好地促进新能源汽车行业的进步与发展。

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