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车用锂离子动力电池系统的安全性剖析_动力电池事故主要原因

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发表时间:2017-03-30 14:54来源:美剧下载,美剧在线观看,美剧天堂-熊猫影视网

  金戈新材一直关注新能源汽车的发展动向,针对电动汽车的充电桩,动力电池的导热散热性都在不断深入研究,为新能源汽车的安全性得到更好的提高。


  中国“十二五”规划大力支持以电动汽车为主的新能源汽车新兴产业。然而以热失控为特征的锂离子电池系统的安全性事故时有发生,困扰着电动汽车的发展。动力电池安全性事故的常见形式及成因是什么?又该采取怎样的防范措施?


  1 动力电池安全性问题


动力电池安全性事故


图1 近年来部分锂离子动力电池事故


  锂离子动力电池事故主要表现为因热失控带来的起火燃烧。如表1和图1所示。


  锂离子动力电池系统安全性问题表现为3个层次(图2)。


  1)电池系统安全性的“演变”。即电池系统长期老化——“演化”(事故1、2、3、5、7)和突发事件造成电池系统损坏——“突变”(事故4、6)。


  2)“触发”——锂离子动力电池从正常工作到发生热失控与起火燃烧的转折点。


  3)“扩展”——热失控带来的向周围传播的次生危害。


动力电池系统安全性问题的层次


图2 动力电池系统安全性问题的层次


  2 动力电池安全性演变


  2.1 “演化”与“突变”


  电池系统长期老化带来的可靠性降低,演化耗时长,可以通过检测电池系统的老化程度来评估电池系统安全性的变化;相比而言安全性突变难以预测,但是可以通过既有事故的形式来改进电池系统的设计。


  2.2 安全性演化机理


  电池系统任何部件的老化都可能带来安全事故的触发,如事故1、7。除此之外,电池本身的安全性演化主要表现为内短路的发展。电池内部的金属枝晶生长是造成内短路的主要原因之一。值得一提的是,老化电池的能量密度降低,热失控造成的危害可能会降低;另一方面老化电池更容易发生热失控。


锂离子电池内部金属枝晶的生长与隔膜的刺穿


图3 锂离子电池内部金属枝晶的生长与隔膜的刺穿


  3 电池安全事故触发


  3.1 热失控机理


  经过演变过程,电池事故将会进入“触发”阶段。一般在这之后,电池内部的能量将会在瞬间集中释放造成热失控,引发冒烟、起火与爆炸等现象。当然电池安全事故中,也可能不发生热失控,热失控后的电池不一定会同时发生冒烟、起火与爆炸,也可能都不发生,这取决于电池材料发生热失控的机理。


  图4、图5与表2展示了某款具有三元正极/PE基质的陶瓷隔膜/石墨负极的25 A·h锂离子动力电池的热失控机理。热失控过程分为了7个阶段。


三元锂离子动力电池热失控


图4 某款三元锂离子动力电池热失控实验数据(实验仪器为大型加速绝热量热仪,EV-ARC)


某款三元锂离子动力电池热失控不同阶段的机理


图5 某款三元锂离子动力电池热失控不同阶段的机理


某款锂离子动力电池热失控的分阶段特征与机理


表2 某款锂离子动力电池热失控的分阶段特征与机理


  对于冒烟的情况,在阶段V,如果电池内部温度低于正极集流体铝箔的熔化温度660℃,电池正极涂层就不会随着反应产生的气体喷出,此时观察到的会是白烟;反之则是黑烟。


  对于起火的情况,引燃的主要原因是喷出的气体温度高于其闪点,电解液气体与氧气剧烈反应。


  对于爆炸的情况,必备的条件是电池内部具有高压气体积聚,安全阀则是及时释放高压积聚气体的关键。


  3.2 事故触发的分类


  根据触发的特征,可以分为机械触发、电触发和热触发3类。


电动汽车事故触发的分类


图6 事故触发的分类


  4 热失控在电池系统内的扩展

  4.1 热失控扩展的危害


  热失控触发后,局部单体热失控后释放的热量向周围传播,将可能加热周围电池并造成周围电池的热失控,从而发生链式反应造成极大的危害。


  4.2 热失控扩展的机理


  热失控扩展过程中的热量传递有3条可能的主要路径:1)相邻电池壳体之间的导热;2)通过电池极柱的导热;3)单体电池起火对周围电池的炙烤。


热失控扩展


图7 热失控扩展的几条可能路径


     4.3 防范热失控扩展与电池系统设计的矛盾


  措施:


  1)防止火焰的发生。设计阀体的喷射方向引导火焰的生成方向;加入灭火剂;保证密封性。


  2)考虑高温气体扩散对电池系统其他部件的影响,及时排出高温气体。


  3)适当阻隔电池之间的传热路径,如在单体电池之间设置隔热层。


  4)增强电池系统内部的散热;将故障电池周围的电池进行放电;在电池之间填充相变材料吸收热量等方法来抑制热失控的扩展。


  矛盾:


  防范热失控扩展的设计与电池系统的其他功能设计存在一定的矛盾,如加剧内部温度不均、降低比能量、增加成本等。协调此矛盾是电池系统安全性设计的重要议题之一。


  5 电池事故防范与安全性监控


  除热失控扩展的防范之外,动力电池系统需要全方位的事故防范措施与安全性监控措施。


  1)锂离子动力电池在大规模生产销售之前,必须要通过相关的安全性测试标准的认证。


  2)以防范热失控事故为核心,动力电池系统的安全性设计需要考虑事故的“演变”、“触发”与“扩展”等因素。还要对于各个部件的失效模式有清楚的认识。


  3)动力电池系统在运行过程中需要进行妥善的管理,并对于可能的事故触发倾向进行监测与预警。


  6 结论


  动力电池系统安全性问题主要分为3个层次,即“演变”、“触发”与“扩展”。从这三个层次出发,深入研究各个层次的机理及其演变过程,提出有效的事故防范措施和安全性监控措施,是下一步研究的工作重点。


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