動力電池安全性分析及檢測技術(shù)概述

鄭昆，丁勝，林文表，馬軍，傅釗，樊文琪,2

（1.廣州五所環(huán)境儀器有限公司，廣州 511370； 2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 511370）

引言

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，作為電動汽車主要動力來源的動力電池一直是各國研究的重點。近年來，新能源汽車安全問題（主要集中在動力電池方面，如燃燒等）呈快速增長趨勢，新能源汽車多在充電、行駛及交通事故等場合中出現(xiàn)動力電池自燃或燃燒現(xiàn)象，進(jìn)而可導(dǎo)致車毀人亡，作為新能源汽車 “心臟”的動力電池安全問題越來越引起社會關(guān)注[1]。因此，分析動力電池安全性及相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義。

1 鋰電池工作原理

動力電池主要由多個鋰電池模組、箱體、防爆閥、加熱片等組成，其中鋰電池模組主要由串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)的鋰離子電池單體組成。鋰離子電池是動力電池的基本單元，其由正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液、殼體等組成，帶電離子在正負(fù)極之間運(yùn)動，從而實現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移，給外部電路供電或者從外部電源充電，因此鋰離子電池被稱為“搖椅型”電池。工作原理圖如圖1所示。

圖1 鋰離子電池充放電工作原理圖

具體的電池充電過程中，外電壓加載在電池的兩極，鋰離子從正極材料中脫嵌，進(jìn)入電解液中，同時產(chǎn)生多余電子通過正極集流體，經(jīng)外部電路向負(fù)極運(yùn)動；鋰離子在電解液中從正極向負(fù)極運(yùn)動，穿過隔膜到達(dá)負(fù)極石墨層狀結(jié)構(gòu)中，并與電子結(jié)合。放電過程與之相反，鋰離子從負(fù)極表面脫嵌經(jīng)過電解液，同時產(chǎn)生多余電子通過負(fù)極集流體，經(jīng)外部電路向正極運(yùn)動；再穿過隔膜在電解液的作用下嵌入到正極材料中，與正極集流體上的電子結(jié)合[2]。

2 安全性分析

作為高能量載體的鋰離子動力電池，其安全性問題主要集中在燃燒或爆炸[3,4]，動力電池燃燒或爆炸一般是從一個或幾個電芯發(fā)生熱失控開始，進(jìn)而逐步擴(kuò)散。組成鋰離子電池（電芯）的正極、負(fù)極、電解液、隔膜等，在其狀態(tài)發(fā)生改變（如外界促使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等）均有可能獨自或組合誘發(fā)電池發(fā)生燃燒或爆炸[5,6]。

2.1 正極材料安全性

鋰電池的正極材料主要有鈷酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等，其在高溫或過充下存在分解（釋放出Co4+、Ni4+等離子）與電解液發(fā)生反應(yīng)的隱患，同時會釋放氧氣，進(jìn)而可導(dǎo)致燃燒、爆炸，正極材料的熱穩(wěn)定排序：磷酸鐵鋰＞錳酸鋰＞三元材料＞鈷酸鋰。

2.2 負(fù)極材料安全性

鋰電池負(fù)極材料主要由碳化合物組成：石油焦炭、中間相碳微珠、石墨等，這些物質(zhì)中存在還原性較強(qiáng)的碳，充放電、高溫時存在與正極材料脫出的氧氣發(fā)生劇烈反應(yīng)的可能，同時，隨著溫度的升高，負(fù)極材料中鋰與電解液進(jìn)一步發(fā)生放熱反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒、爆炸；同時低溫下負(fù)極表面會發(fā)生鋰沉積副反應(yīng)，可引起電池短路。

2.3 電解液安全性

電解液主要由有機(jī)溶劑和鋰鹽組成，有機(jī)溶劑主要由酯類組成：碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯等，六氟磷酸鋰（LiPF6）、六氟合砷(V)酸鋰（LiAsF6）、高氯酸鋰（LiClO4）等為常用鋰鹽。在高溫等使用不當(dāng)?shù)臈l件下鋰鹽會分解出氧氣，酯類分解出一氧化氮、甲烷等易燃?xì)怏w，是鋰電池燃燒爆炸最可能的因素。

2.4 隔膜材料安全性

常見的隔膜材料為聚丙烯（融化溫度為130～140 ℃）、聚乙烯（融化溫度為160～170 ℃）等，其用途是隔離電池的正負(fù)極，防止發(fā)生短路。因此，電池溫度過高時，存在融化隔膜的可能，失去隔離正負(fù)極的作用，造成內(nèi)部短路，產(chǎn)生極大電流，進(jìn)而導(dǎo)致電池燃燒、爆炸[1,5,6]。

2.5 電池管理系統(tǒng)

由電池電子部件和控制單元組成的電池管理系統(tǒng)（BMS）是動力電池的“大腦”，包含熱管理模塊、高壓監(jiān)控等功能模塊。其中，熱管理模塊具有電池溫度較高時進(jìn)行有效散熱、溫度較低時提升電池溫度及降低電池內(nèi)部溫度差異、抑制局部溫度過高等功能，電池?zé)峁芾硎请姵匕踩缘年P(guān)鍵部分[6-8]。

2.6 燃燒爆炸機(jī)理

結(jié)合2.1-2.4節(jié)，當(dāng)鋰電池因故短路時（主要由高溫、擠壓、過充等狀態(tài)下濫用或使用老化及制造缺陷造成等），內(nèi)部溫度升高，電池正負(fù)極、電解液、隔膜組分間將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量與氣體，電池自身熱管理失控，當(dāng)積累到一定程度就會引起電池的著火、爆炸，其中熱管理失控是電池燃燒、爆炸的本質(zhì)原因[9-12]。

圖2 鋰電池燃燒爆炸機(jī)理

2.7 燃燒爆炸過程

電池燃燒爆炸過程一般分為2個階段：①電池內(nèi)部發(fā)生短路后，電解液、正負(fù)極發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體，使得電池內(nèi)部壓力逐步增大，直至壓力超過電池泄壓閥的最大壓力，內(nèi)部氣體通過泄壓孔噴出，此為初爆。②電池內(nèi)部溫度持續(xù)升高，超過電解液燃點，使得電池迅速燃燒，在短時間內(nèi)電池內(nèi)部溫度和壓力激增，最終形成燃燒、爆炸現(xiàn)象，伴隨著巨大的沖擊力，可噴射出達(dá)1 m左右的火星，此為燃爆。在鋰電池燃爆過程中，電池表面的最高溫度可達(dá)800～1500 ℃，且電池的荷電狀態(tài)（SOC）越高，燃燒速率越快，燃燒持續(xù)時間越長，燃燒危害性越大[13-17]。

3 國內(nèi)外檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外涉及動力電池安全性檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有ISO 12405、IEC 62660、UL2580、GB/T 31467-2015等系列標(biāo)準(zhǔn)，主要涉及動力電池過充、過放、振動、機(jī)械沖擊、針刺、擠壓、外部短路等安全性檢測[18,19]。

3.1 國際檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

國際動力電池檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)特點及安全相關(guān)的主要檢測項目見表1、表2所示，主要標(biāo)準(zhǔn)有ISO 12405-1、ISO 12405-2、ISO 12405- 、IEC 62660-1、IEC 62660-2等。

表1 國際主要檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)特點

表2 國外主要檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)項目及條件

3.2 國內(nèi)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)動力電池檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)適用對象及技術(shù)特點見表3所示。其中標(biāo)準(zhǔn)GB 38031-2020代替了GB/T 31485-2015和GB/T 31467.3-2015， 于2021-01-01實施。GB 38031-2020中降低了對單體的要求，刪除了對模組的要求，加強(qiáng)了對電池包和系統(tǒng)的安全性要求，新提出了對電池包和系統(tǒng)的熱擴(kuò)散要求，即電池包和系統(tǒng)在由于單個電池?zé)崾Э匾馃釘U(kuò)散、進(jìn)而導(dǎo)致乘員艙發(fā)生危險之前5 min，應(yīng)提供一個熱事件報警信號。GB 38031-2020主要檢測項目及條件見表4。

表3 國內(nèi)主要檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)特點

表4 GB 38031-2020主要檢測項目及條件

由以上檢測標(biāo)準(zhǔn)可知，國內(nèi)外動力電池的安全性測試分為3大類：機(jī)械安全測試類（振動、沖擊、擠壓等）、環(huán)境安全測試類（熱沖擊、溫濕循環(huán)、高溫等）、電氣安全測試類（短路、過充、過放等），各個檢測項目的檢測條件上國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)有些差異，但整體區(qū)別不大。對比GB/T 31485-2015、GB/T 31467.3-2015，我國新國標(biāo)GB 38031-2020中刪除了跌落、翻轉(zhuǎn)、針刺等機(jī)械安全類測試項，新增了熱擴(kuò)散和過流檢測，將電池包和系統(tǒng)作為安全重點要求對象，為我國首次將動力電池安全性檢測作為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。GB 38031與GB/T 31485、GB/T 31467.3對比見表5。

表5 GB 38031與GB/T 31485、GB/T 31467.3對比

4 結(jié)束語

本文結(jié)合鋰電池工作原理，研究了動力電池安全性相關(guān)的燃燒爆炸機(jī)理及過程；同時總結(jié)了國內(nèi)外動力電池主要檢測標(biāo)準(zhǔn)，重點分析了我國首個動力電池安全性強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)GB 38031-2020，最后提出3點目前動力電池檢測存在的不足：

1）涉及到過流、過充等電氣安全測試類檢測環(huán)境均要求是室溫或高溫，但對低溫環(huán)境未有要求，而鋰電池在低溫下會導(dǎo)致金屬鋰沉積在電極表面，可引起短路。

2）目前國家動力電池安全類檢測項目中缺少對電池包和系統(tǒng)氣密性和防塵的要求，而粉塵進(jìn)入動力電池內(nèi)部，積聚在電纜端子上，有引起爆炸的可能。

3）針對動力電池管理系統(tǒng)（BMS）在安全性測試項目中的評價存在不足，即作為動力電池“大腦”的BMS應(yīng)在安全性中起到更多的作用。