電動汽車鋰電池熱失控發(fā)生誘因及抑制手段研究進展

劉敏 陳賓 張偉波 陳曉宇 蔣旭吟

摘 要：鋰離子動力電池系統(tǒng)具有能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率低而被廣泛應用于新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為動力的主要來源。然而，在實際使用中鋰離子動力電池系統(tǒng)可能發(fā)生機械碰撞、擠壓、針刺、過充電、過放電、內(nèi)短路及過熱等異常情況，由此造成的熱失控極易引起動力電池系統(tǒng)著火甚至爆炸的危險情況。為此，本文對動力電池系統(tǒng)熱失控的發(fā)生誘因展開研究，并著重分析國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及相關的抑制手段。

關鍵詞：熱失控;動力電池系統(tǒng)

1 引言

由鋰離子電池組成的動力電池系統(tǒng)具有能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率小等特點而被廣泛應用于新能源的各個領域，以減少溫室氣體的排放。然而，在實際使用中鋰離子動力電池系統(tǒng)可能會發(fā)生碰撞、過充過放、短路等濫用情況，從而引發(fā)熱失控現(xiàn)象的發(fā)生。

為防止熱失控現(xiàn)象的發(fā)生，本文研究了動力電池系統(tǒng)熱失控的發(fā)生誘因及相關的抑制手段。

2 動力電池熱失控發(fā)生誘因

熱失控是指電池單體放熱連鎖反應引起電池溫度不可控上升的現(xiàn)象。造成動力電池熱失控發(fā)生的誘因主要有機械濫用、電氣濫用和熱濫用。

2.1 機械濫用

動力電池系統(tǒng)的機械濫用情況，是指碰撞、擠壓、穿刺、振動等外力作用下，鋰電池單體、電池組發(fā)生變形，自身不同部位發(fā)生相對位移的情況。機械濫用發(fā)生后可能會撕裂電池單體隔膜，使電池單體發(fā)生內(nèi)部短路現(xiàn)象。強烈的擠壓和穿刺發(fā)生時電池單體的易燃電解質(zhì)泄漏，則會引起電池包乃至電動汽車的燃燒。

2.2 電氣濫用

2.2.1 外短路

動力電池系統(tǒng)的外短路一般是由于汽車碰撞引起的變形，浸水，導體污染或維護期間的電擊等情況所引起，此時當存在壓差的兩個導體在電芯外部接通時，外部短路就發(fā)生了。外部短路釋放的熱量并不會直接加熱電池，只有當外部短路產(chǎn)生的熱量無法很好的散去時，電池溫度才會上升，從而觸發(fā)熱失控。

2.2.2 過充電

動力電池系統(tǒng)的過充電主要是由于充電機故障、或BMS未能監(jiān)控到每單個電池的電壓而造成的。由于過充時電池的能量是充滿的，所以過充電也是電氣濫用中危害最大的一種。

2.2.3 過放電

動力電池系統(tǒng)的過放電主要是發(fā)生在BMS監(jiān)控故障，導致最低電壓的電芯被過放電的現(xiàn)象。在過放電期間，如BMS無法及時在電池組中具有最低電壓電池單體達到截止電壓時停止電池放電，則具有最低電壓的電池可以被串聯(lián)連接的其他電池強制放電，從而電池極點發(fā)生反轉(zhuǎn)，電池電壓變?yōu)樨撝?，最終導致過放電的電池異常發(fā)熱。

2.3 熱濫用

動力電池系統(tǒng)的熱濫用現(xiàn)象很少獨立存在，往往是從機械濫用和電氣濫用發(fā)展而來，并且是最終直接觸發(fā)熱失控的一環(huán)。一旦溫度在濫用條件下異常升高，化學副反應就會發(fā)生，隨后會產(chǎn)生熱-溫度-反應（HTR）循環(huán)（圖1），最終形成鏈式反應，直至發(fā)生熱失控。

圖2顯示了NCM/石墨電極、PE基陶瓷涂層隔膜的鋰離子電池在熱失控過程中的鏈式反應機理。溫度升高過程中，SEI膜分解、負極與電解液反應、PE隔膜熔化、NCM正極分解、電解質(zhì)分解接連發(fā)生。當溫度升高到300℃時，隔膜的陶瓷涂層崩潰，電池的正負極直接接觸造成大面積的內(nèi)短路，則會瞬間釋放電池的電能，導致電池發(fā)生熱失控，嚴重時可能會伴隨電解質(zhì)的燃燒。

3 動力電池熱失控抑制手段

針對動力電池熱失控發(fā)生的機械濫用、電氣濫用和熱濫用這三大誘因，其抑制手段主要分為電芯材料修飾和外部預防管理兩種。

3.1 電芯材料修飾

通過對電芯材料進行修飾阻斷熱失控的鏈式反應，從而提升電芯的抗熱失控的能力，目前研究主要集中在對正極材料、負極材料、電解液、隔膜四大主材的材料修飾，如對正負材料進行表面包覆修飾防止正極材料和電解液的接觸，對正極材料摻雜金屬元素提高電芯的熱穩(wěn)定性，在電解液中添加阻燃添加劑，開發(fā)固態(tài)聚合物電解質(zhì)，采用三層復合隔膜等。

對電芯材料進行修飾雖然可以從根本上提升電池的安全性能，但是一定程度上會影響電池性能的發(fā)揮，而且當強烈的機械濫用（如針刺）發(fā)生時，電池的熱失控必然會發(fā)生，所以電池的外部預防管理也是十分必要的。

3.2 外部預防管理

針對熱失控的外部預防管理措施主要分為結(jié)構設計預防、熱管理設計預防和BMS監(jiān)控三方面。

3.2.1 結(jié)構設計預防

結(jié)構設計預防熱失控的主要預防手段有增加熱障、振動隔離、碰撞防護以及增加氣體排出點等。

增加熱障主要是指在電芯或模組之間增加間隔組件，阻止電芯之間、模組之間的熱傳導的發(fā)生;振動隔離主要是通過結(jié)構設計的優(yōu)化提高電池系統(tǒng)可靠性，比如安裝框架提供額外的結(jié)構支撐、優(yōu)化設計電極端子提高電氣連接可靠性等;碰撞防護的要點是要在碰撞過程中保持電池包的結(jié)構完整性，一般有后部碰撞防護、側(cè)面碰撞防護和正面碰撞防護，用以吸收或分散碰撞產(chǎn)生的沖擊能量;增加氣體排出點則是設計一個或多個在電池熱失控事件期間打開的排氣噴嘴，引導氣體和電池材料流向遠離乘員艙的方向，降低車輛損壞和相關人員的安全風險。

3.2.2 熱管理設計預防

電池的散熱效率對預防熱失控十分重要，所以熱管理設計預防主要是從抑制熱擴散方面，減輕熱失控對電池的損傷。相比較自然冷卻和強制風冷，液冷是散熱效率較高的一種熱管理方式，所以增加液冷系統(tǒng)是一種有效預防電池系統(tǒng)熱失控的手段。

3.2.3 BMS監(jiān)控

BMS監(jiān)控是一種針對電氣濫用和熱濫用的有效抑制手段。主要是通過提高電池狀態(tài)的估計精度，避免過充放造成的熱失控;并且設置溫度分級報警，在熱濫用發(fā)生之初，就對系統(tǒng)發(fā)出警告。

4 結(jié)語

為了確保動力電池系統(tǒng)的安全性，熱失控的防護的機理研究和預防設計是必不可少的。目前，造成動力電池熱失控發(fā)生的誘因主要有機械濫用、電氣濫用和熱濫用，而三者往往是關聯(lián)發(fā)生的。抑制熱擴散的手段主要有電芯材料修飾、結(jié)構設計預防、熱管理預防和BMS監(jiān)控等方式。在本文中著重對熱失控發(fā)生的誘因及抑制手段展開了研究，總結(jié)了每種預防方法的要點。

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