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電池熱失控“擋道”電動汽車

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年03月08日  

鋰離子電池安全與否,歸根到底取決于電池能否避免熱失控。


當電池溫度過高或充電電壓過高時,比如出現碰撞、短路和過充,負反應就會被引發。


此時電池內的熱量如果得不到及時疏散,就會引起電池內溫度和壓力急劇上升。


想要提高電池的安全性,需從三個層面入手:材料、單體、系統。


80多例


2011年—2018年9月間,我國電動乘用車事故達80多例。


35%


其中35%由電池內部短路引發。


16%


充電中的問題,如過度充電,占16%。


18%


另有18%事故由機械外力引發,如碰撞。


從333型到523型再到811型,市面上鎳鈷錳三元電池的正極材料比例越來越“失衡”,電池的能量密度越來越高,里程越來越長,安全問題卻也頻現,成為動力電池發展過程當中繞不過的一座“大山”。


煙霧、火災甚至爆炸,都是最常見的鋰離子電池事故特征,而這些故障的根源大都來自于電池熱量的“失控”。如何將電池內的熱管理工作做好,為電池中的熱量分子們戴上“緊箍咒”,已成為未來解決動力電池安全的必答題。


電動車自燃事故頻發


電動汽車事故儼然已不是什么新鮮事。1月30日,長沙市雨花區鑫天佳園小區5棟架空層處,一排正在充電的電動車突然起火,7輛電動車瞬間被燒成骨架。對此,充電樁公司維護工作人員翁師傅認為,“可能是電動車自燃引起的,因為充電樁有自動斷電關閘的功能。”2018年8月,該小區安裝了兩臺智能充電樁,每天都有幾十臺車在此充電。


時值寒冬,動力電池尚且“控制”不住自己燃燒的“心”,在火熱難擋的盛夏就更“難以自制”了。據不完全統計,在2018年8月,僅半個月的時間內就發生了6起電動汽車起火事件:8月19日,深圳一輛微型電動面包車在充電過程中起火;8月22日,山東聊城一輛快遞電動貨車著火;8月25日,成都一輛威馬EX5在威馬汽車研究院園區內發生自燃;8月26日,安徽銅陵一輛安凱電動客車在路邊起火;8月28日,一輛正在充電的廂式電動車起火;8月31日,廣州街頭一輛力帆650EV起火……


動力電池的自燃“屬性”令人不得不對新能源汽車的安全性打上一個“問號”:動力電池到底因何而自燃?中國汽車技術研究中心首席專家王芳提供的數據顯示:2011年—2018年9月間,我國發生的電動乘用車事故達80多例,其中35%是由電池內部短路引發的;16%則是在充電過程中出現的,比如過度充電;18%為機械外力因素的影響,如碰撞;還有3%為進水;剩下的則是由不明原因造成的。


電池熱失控是“罪魁禍首”


“鋰離子電池安全與否,歸根到底取決于電池能否避免熱失控。”武漢大學教授艾新平介紹,在鋰電池中,除了我們熟知的正常充放電反應外,還存在著潛在的負反應。在電池的正常溫度和正常電壓范圍內,不會發生這些負反應;但當電池溫度過高或充電電壓過高時,比如碰撞、短路和過充,這些負反應就會被引發。此時電池內的熱量如果得不到及時疏散,就會引起電池內溫度和壓力急劇上升。


“溫度越高,電池負反應的反應速度就越大,最終導致電池進入一個無法控制的自加溫狀態,也即熱失控狀態。它是導致電池發生爆炸和燃燒的主因。”艾新平進一步解釋。


“在電池正常放電的情況下,我們通過測量不同充放電倍率下的物理產熱現象,發現電池運作所產生的熱量如果不及時導送出去,就會使電池體系溫度升高,引起電池的化學反應,最后造成電池的失控。”中國科技大學教授孫金華對此持相同觀點。


據了解,目前市面上能被工業化應用的電池種類主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元等,其主要區別就在于所使用的正極材料不同。“采用不同的正極材料,鋰離子電池的安全性就不同。”艾新平解釋,這是由于正極在電池中所占的質量比是最大的,常規來說放熱量也是最大,“因此正極材料的選擇對電池的安全性影響非常大。”


三個層面進行熱管理


“要提高電池的安全性,需從三個層面入手。一是材料層面,二是單體層面,第三個層面是系統層面。”艾新平介紹,在材料層面,要重點提高材料和界面的熱穩定性,降低其產熱量;在單體層面,除優化電池熱設計外,更重要的是發展熱保護技術,如PTC電極、熱關閉隔膜等;在系統層面,則需重點開展隔熱設計,防止熱擴展。


研究表明,在對電池系統的熱分析中,磷酸鐵鋰的熱穩定性從材料上來講是最好的。“電池的安全性首先取決于自身材料的安全性。”上海交通大學特聘教授馬紫峰指出,要增加電池的安全性,高能量的電池就可能需要在系統設計當中加入特定的保護裝置,比如說冷卻系統、防爆系統等。


在單體層面,除了常規的熱安全設計外,更重要的是要建立單體自激發熱保護。“讓單體能根據自身感受的溫度,調整自己的電流輸出或功率輸出。電池如果可以關閉反應,其產熱也就終止了。”艾新平指出,PTC熱敏電阻材料的一個重要特征就是溫度升高到一定程度時,該材料就會從一個良好的導電態變成絕緣態,這將是單體熱保護技術中的重要路徑之一。


除材料和單體的影響,系統也是電池安全性熱管理中不可缺失的一環。“在系統中,對電池狀態的估計非常重要,要用數學模型將其精確描述出來,并與電池的模型中的材料化學體系對應起來。”馬紫峰表示。


“提高材料或界面的熱穩定性,開發單體自激發熱保護技術,以及系統熱擴展防范技術,可有效改善電池系統的安全性,未來需加強研究。”艾新平表示,電池的安全性問題將伴隨電池比能量提高而變得愈加嚴峻,但不應由此否定動力電池技術路線和發展趨勢,正確面對并積極探索一些新的安全性技術,以促進電池技術進步。

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