電動汽車鋰電池熱失控發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具有能量密度高、循環壽命長、自放電率低而被廣泛應用于新能源汽車產業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可能發生機械碰撞、擠壓、針刺、過充電、過放電、內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著火甚至爆炸的危險情況。為此，本文對動力電池系統熱失控的發生誘因展開研究，并著重分析國內外的研究現狀及相關的抑制手段。

關鍵詞：熱失控;動力電池系統

1 引言

由鋰離子電池組成的動力電池系統具有能量密度高、循環壽命長、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可能會發生碰撞、過充過放、短路等濫用情況，從而引發熱失控現象的發生。

為防止熱失控現象的發生，本文研究了動力電池系統熱失控的發生誘因及相關的抑制手段。

2 動力電池熱失控發生誘因

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象。造成動力電池熱失控發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、電池組發生變形，自身不同部位發生相對位移的情況。機械濫用發生后可能會撕裂電池單體隔膜，使電池單體發生內部短路現象。強烈的擠壓和穿刺發生時電池單體的易燃電解質泄漏，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，只有當外部短路產生的熱量無法很好的散去時，電池溫度才會上升，從而觸發熱失控。

2.2.2 過充電

動力電池系統的過充電主要是由于充電機故障、或BMS未能監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

動力電池系統的過放電主要是發生在BMS監控故障，導致最低電壓的電芯被過放電的現象。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連接的其他電池強制放電，從而電池極點發生反轉，電池電壓變為負值，最終導致過放電的電池異常發熱。

2.3 熱濫用

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

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、電解質分解接連發生。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短路，則會瞬間釋放電池的電能，導致電池發生熱失控，嚴重時可能會伴隨電解質的燃燒。

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定性，在電解液中添加阻燃添加劑，開發固態聚合物電解質，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揮，而且當強烈的機械濫用（如針刺）發生時，電池的熱失控必然會發生，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構設計預防、熱管理設計預防和BMS監控三方面。

3.2.1 結構設計預防

結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生;振動隔離主要是通過結構設計的優化提高電池系統可靠性，比如安裝框架提供額外的結構支撐、優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構完整性，一般有后部碰撞防護、側面碰撞防護和正面碰撞防護，用以吸收或分散碰撞產生的沖擊能量;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，所以增加液冷系統是一種有效預防電池系統熱失控的手段。

3.2.3 BMS監控

BMS監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，在熱濫用發生之初，就對系統發出警告。

4 結語

為了確保動力電池系統的安全性，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，而三者往往是關聯發生的。抑制熱擴散的手段主要有電芯材料修飾、結構設計預防、熱管理預防和BMS監控等方式。在本文中著重對熱失控發生的誘因及抑制手段展開了研究，總結了每種預防方法的要點。

參考文獻：

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