新能源汽車鋰離子電池的安全問題分析與探索

陳繼永，盧欣欣

（江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通226007）

在當(dāng)前國(guó)家政策的支持下，新能源汽車產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，在鋰離子電池的應(yīng)用過程中也出現(xiàn)了許多由于維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)所引發(fā)的安全事故。因此需要對(duì)目前鋰離子電池應(yīng)用于新能源汽車的安全問題作出分析，并積極研究有效措施保證鋰離子電池的安全使用。

1 鋰離子電池的組成材料與結(jié)構(gòu)

鋰離子電池的主要組成部分包括正極、負(fù)極、隔膜和電解液，上述材料通過特定的方式進(jìn)行卷繞與堆疊，從而組成電池的外形。目前電動(dòng)汽車所采用的鋰離子電池主要包括三元鋰離子電池與磷酸鐵鋰離子電池兩種，其中三元鋰離子電池正極材料由鎳、鈷、錳三種材料按照特定的比例組成，負(fù)極材料由石墨組成。在鋰離子電池的組成材料當(dāng)中，電解液對(duì)電池的安全性能具有顯著影響，電解液的成分包括有機(jī)溶劑、鋰化合物與其他添加劑。其中常見的電解液溶劑包括環(huán)狀碳酸酯和鏈狀碳酸酯等，鋰化合物主要有LiPF6、LiClO4、LiBF4等，另外還包括各種類型的添加劑，能夠起到改善電池性能的作用[1]。

2 新能源汽車鋰離子電池的安全問題及解決措施

2.1 新能源汽車鋰離子電池的安全問題

在新能源汽車的應(yīng)用過程中，鋰離子電池的主要安全問題為熱失控問題，在溫度達(dá)到70～120℃時(shí)，電池會(huì)發(fā)生鼓脹現(xiàn)象，當(dāng)溫度繼續(xù)升高到150-200℃時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)燃燒和爆炸事故。造成這一問題的原因在于電池進(jìn)行充電和放電時(shí)，內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成熱量，如果此時(shí)不能有效散熱，就會(huì)由于熱量累積，使電池當(dāng)中的反應(yīng)加速，最終導(dǎo)致熱失控問題。造成這一安全問題的具體原因主要包括兩方面，一方面是由于電池的材料與生產(chǎn)工藝問題，另一方面是由于電池的使用方法不當(dāng)。

（1）電池材料與生產(chǎn)問題。鋰離子電池材料當(dāng)中，不同的材料會(huì)對(duì)電池的發(fā)熱能力產(chǎn)生不同影響。在鋰離子電池組成材料存在質(zhì)量問題，以及在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)雜質(zhì)，都容易造成電池的安全問題。其中電池的正極材料在氧化狀態(tài)下進(jìn)行放熱分解同時(shí)產(chǎn)生氧氣，負(fù)極材料在嵌鋰狀態(tài)與高溫條件下與電解液反應(yīng)。電解液本身含有易燃性很強(qiáng)的有機(jī)溶劑，在高溫狀態(tài)下很容易造成安全事故。同時(shí)，電池的生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，如果在電池的生產(chǎn)中電池內(nèi)部含有金屬雜質(zhì)和毛刺，也會(huì)對(duì)電池的安全性能造成嚴(yán)重影響。

（2）使用過程問題。鋰離子電池安全問題的最主要因素為電池的使用方式不當(dāng)，主要原因包括過充、過熱和機(jī)械損壞。

過充是造成鋰離子電池安全問題的一項(xiàng)重要原因，根據(jù)相關(guān)研究，隨著鋰離子電池所處的環(huán)境溫度升高，以及電池的充電循環(huán)次數(shù)增加，電池過充的危險(xiǎn)性也逐漸加大。同時(shí)，鋰離子電池在過度充電狀態(tài)下，負(fù)極表面容易產(chǎn)生鋰枝晶現(xiàn)象，如果鋰枝晶穿透電池隔膜，就會(huì)造成正負(fù)極直接接觸，引起短路和起火現(xiàn)象。

由于鋰離子電池的組成成分具有很強(qiáng)活性，在遇到撞擊時(shí)，很容易引起熱失控問題。在新能源汽車的使用過程中，如果電池包受到撞擊發(fā)生變形和損壞，就會(huì)引起電池的安全事故。

2.2 新能源汽車鋰離子電池安全問題的解決措施

（1）改進(jìn)電池材料與配件。鋰離子電池的安全問題與電池本身的材料存在密切關(guān)系，因此可以通過改進(jìn)電池材料，增強(qiáng)鋰離子電池的穩(wěn)定性，提升安全性能。其中可以分別對(duì)電池的正負(fù)極、電解液和隔膜材料進(jìn)行優(yōu)化。

目前鋰離子電池正極所用材料主要有三元材料、改性錳酸鋰和磷酸鐵鋰等，不同材料在安全性能、成本和使用壽命方面具備不同特性。電池的電解液與隔膜材料對(duì)于電池安全性能具有關(guān)鍵影響，其中可以通過在電解液中添加阻燃添加劑，提升電解液的穩(wěn)定性。電池的隔膜材料具有防止正負(fù)極接觸從而避免短路的重要作用，具體應(yīng)選用具有良好熱穩(wěn)定性的涂層隔膜，比如在隔膜的制作過程中采用的濕法抄紙技術(shù)，在抄紙過程中加入阻燃劑，制成可再生的阻燃纖維素基復(fù)合隔膜，以及纖維素/聚芳砜酰胺復(fù)合隔膜，能夠顯著提高隔膜的安全性能。

（2）提高電池散熱能力。鋰離子電池的安全性能主要受溫度影響，在溫度過高狀態(tài)下，會(huì)降低電池的使用壽命，并造成安全事故，因此要采取有效的方式提升電池的散熱性能。具體應(yīng)加強(qiáng)熱管理技術(shù)的運(yùn)用，對(duì)電池運(yùn)行過程中的溫度進(jìn)行合理控制。新能源汽車可以采用氣體冷卻、液體冷卻、熱管冷卻、相變材料冷卻以及多種方式結(jié)合進(jìn)行冷卻的方法。其中，氣體冷卻主要包括自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流兩種冷卻方法，前者是借助空氣自身密度原因造成的自然流動(dòng)，后者是指依靠機(jī)械設(shè)備，通過加快空氣的流動(dòng)速度起到散熱作用，例如風(fēng)扇是一種常用的強(qiáng)制對(duì)流方式。氣體冷卻方法具有成本較低、安裝過程簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，但這一方式的主要問題在于空氣的流入和流出過程中，本身會(huì)產(chǎn)生溫度變化，容易對(duì)電池的一致性造成不利影響。

液體冷卻是指運(yùn)用具有高導(dǎo)熱效率的液體進(jìn)行冷卻的方法，液體冷卻相對(duì)于氣體冷卻的效率提升1.5倍以上，冷卻液一般采用水和乙二醇等。在具體應(yīng)用上，可以對(duì)液體進(jìn)行密封，然后直接接觸電池進(jìn)行散熱。還可以將裝有冷卻液的管道設(shè)置在電池模組周圍，并通過熱交換裝置和水泵調(diào)節(jié)溫度。

相變材料冷卻既能夠起到快速傳導(dǎo)熱量的作用，也能夠?qū)崃窟M(jìn)行有效吸收。目前這一技術(shù)處于研究階段，成本和安裝方式相對(duì)較為復(fù)雜。

（3）設(shè)置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)。電動(dòng)汽車電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電池電壓、電流和溫度的有效監(jiān)控，從而使電池保持正常運(yùn)行狀態(tài)。比如可以利用溫度與電壓之間的關(guān)系，首先監(jiān)測(cè)單體電芯的溫度上升幅度，而后改變電壓，計(jì)算電壓下降速率，在下降速率小于0.2V/min時(shí)，說明此時(shí)處于過熱狀態(tài)，最后通過警報(bào)作出預(yù)警。除此之外，還要加強(qiáng)對(duì)于電池安全狀態(tài)的監(jiān)控，從而快速發(fā)現(xiàn)電池的異常問題。具體包括對(duì)電池破損的監(jiān)控、內(nèi)壓增大與變形的監(jiān)控等。目前國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)都進(jìn)行過電池安全狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)的研究，如日本NEC公司和我國(guó)東莞新能源電子科技有限公司等，電動(dòng)汽車電池安全狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)目前仍然處于研究階段。

對(duì)于鋰離子電池由于外部撞擊引起的安全問題，可以設(shè)置相應(yīng)的電池包保護(hù)系統(tǒng)，防止外部撞擊引起電池變形或破損。比如一種保護(hù)框架在正常狀態(tài)下包裹于電池外側(cè)，具有能夠活動(dòng)的結(jié)構(gòu)，在受到撞擊時(shí)產(chǎn)生形變，起到保護(hù)電池的作用，該裝置最高可承受16.2m/s的撞擊速度。

（4）合理進(jìn)行保養(yǎng)和使用。在應(yīng)用技術(shù)手段解決電池安全問題的基礎(chǔ)上，還要在電動(dòng)汽車的使用過程中合理進(jìn)行電池的保養(yǎng)和維護(hù)，避免由于使用不當(dāng)造成安全問題。首先要定期檢查電池固定螺栓和其他固定裝置的牢固程度，避免在行駛過程中出現(xiàn)接觸不良，還要嚴(yán)格按照使用說明進(jìn)行電池充放電，避免在高溫條件下充電，最后要定期進(jìn)行檢修工作。

3 結(jié) 語

新能源汽車主要應(yīng)用鋰離子電池進(jìn)行供電，鋰離子電池由于自身結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，在溫度過高的情況下容易造成安全問題。針對(duì)這一問題，需要運(yùn)用改進(jìn)電池材料、加強(qiáng)散熱和監(jiān)測(cè)保護(hù)技術(shù)提升電池運(yùn)行穩(wěn)定性，此外還要對(duì)電池進(jìn)行合理的保養(yǎng)和使用。