安全防控技術(shù)在動(dòng)力鋰電池產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

吳志平

(廣州松田職業(yè)學(xué)院，廣州 511370)

新能源汽車產(chǎn)業(yè)被列入“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃,也是國(guó)家政策和資金重點(diǎn)扶持的產(chǎn)業(yè)。我國(guó)的新能源汽車起步相對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家略晚,相關(guān)的配套設(shè)施安全性能還不夠理想,動(dòng)力鋰電池的安全和使用壽命就是制約新能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。

1 電動(dòng)汽車起火的主要原因

根據(jù)公布的數(shù)據(jù)分析,電動(dòng)汽車在充電狀態(tài)下導(dǎo)致的起火占事故總數(shù)的50%以上,由于碰撞原因?qū)е碌男履茉雌嚻鸹鸷托旭傔^程中發(fā)生的自燃起火各占事故的20%左右。從車輛狀態(tài)來(lái)看,動(dòng)力電池在靜止和使用過程中都有發(fā)生起火的可能。一些南方城市夏季高溫、臺(tái)風(fēng)暴雨等惡劣天氣頻繁,這也會(huì)引發(fā)動(dòng)力電池起火事故。

2 動(dòng)力鋰電池起火原因分析

電池過熱而造成的熱失控是鋰離子電池起火的主要原因,常發(fā)生在電池充電與放電的過程中。由于鋰離子本身具有一定的內(nèi)阻,在電能輸出保證電動(dòng)車能量供給的同時(shí)自身也會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，這種持續(xù)的熱量會(huì)使得鋰離子電池本身的溫度變高。鋰離子電池是由多個(gè)單體電芯構(gòu)成的整體,當(dāng)電池溫度處在持續(xù)升溫的狀態(tài)下,能量供給過程中產(chǎn)生的大量熱能就聚集在狹小的電池箱體中,在超出其正常的工作溫度和承受極限時(shí)，便會(huì)嚴(yán)重?fù)p害鋰離子電池的使用壽命,甚至導(dǎo)致鋰離子電池?zé)崾Э仄鸹鸹虮ā?/p>

2.1 碰撞原因?qū)е碌臒崾Э?/h3>

電動(dòng)汽車發(fā)生交通事故時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同程度的碰撞,而強(qiáng)烈的外力因素也會(huì)同時(shí)作用到鋰離子電池,使得鋰離子電池箱體變形、破損,電池本身的配件被移位或損壞,電池的隔膜被撕裂導(dǎo)致電池內(nèi)部短路,易燃的電解質(zhì)泄漏出來(lái)。在所有的碰撞傷害對(duì)電池性能產(chǎn)生的破壞中,最為嚴(yán)重的當(dāng)屬穿刺傷害,嚴(yán)重的穿刺傷害會(huì)直接插入電池本體,造成電池的正負(fù)極直接短路并加劇熱量集中生成爆發(fā),引起發(fā)熱失控,嚴(yán)重破壞電池的正常性。

2.2 使用不當(dāng)導(dǎo)致的熱失控

使用不當(dāng)也是引起鋰離子電池?zé)崾Э氐闹饕?具體體現(xiàn)在充電過度、放電過度、外部短路等幾大原因。相較于外部短路和充電過度,放電過度對(duì)鋰離子電池的危害相對(duì)較小，放電過程中的銅枝晶增長(zhǎng)會(huì)降低電池的安全性,間接增加熱失控的幾率。外部短路時(shí)，電池的熱量不能有效散去,電池溫度升高并引發(fā)熱失控。充電過度是對(duì)鋰離子電池危害最大也是引起電池?zé)崾Э刈钪饕脑?充電過度會(huì)造成過量的鋰嵌入,鋰枝晶在陽(yáng)極表面生長(zhǎng),鋰的過度脫嵌導(dǎo)致陰極結(jié)構(gòu)因發(fā)熱和氧釋放而崩潰,氧氣的釋放會(huì)加速電解質(zhì)的分解,從而產(chǎn)生大量氣體,隨著內(nèi)部壓力的增加讓排氣閥打開,電池開始排氣。此時(shí),電芯中的活性物質(zhì)與空氣接觸并發(fā)生劇烈反應(yīng),放出大量的熱,從而導(dǎo)致電池燃燒起火。

2.3 外部環(huán)境溫度過高導(dǎo)致的熱失控

外部環(huán)境溫度過高也是導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生熱失控事故的原因之一。當(dāng)外部環(huán)境過高時(shí)，鋰離子自身的散熱加劇并無(wú)法有效分散,內(nèi)外的熱壓力聚集導(dǎo)致鋰離子溫度控制系統(tǒng)被破壞,無(wú)法起到應(yīng)有的保護(hù)效果,從而造成短路引發(fā)熱失控。外部環(huán)境溫度過高的原因是多方面的,如電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)失靈、熱管理系統(tǒng)失效、外部碰撞導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)被擠壓和損壞等，這些因素都可能導(dǎo)致外部環(huán)境溫度過熱，進(jìn)而發(fā)生電池?zé)崾Э亍?/p>

3 動(dòng)力鋰電池安全防控技術(shù)的應(yīng)用

提高動(dòng)力鋰電池的安全性能需要從內(nèi)外兩方面著手,具體來(lái)說(shuō)就是材料的優(yōu)化與技術(shù)的提升,從而更好地保證鋰電池的安全性與穩(wěn)定性,有效延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命。

3.1 提升熱管理系統(tǒng)性能

熱管理系統(tǒng)在整個(gè)鋰電池的構(gòu)造中主要起到控制溫度的作用,即確保鋰電池始終處于合理的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。這其中最重要的手段就是利用空調(diào)系統(tǒng)對(duì)電池進(jìn)行溫度控制,溫度過高時(shí)及時(shí)降溫,溫度過低時(shí)及時(shí)加熱,以保證電池的安全及壽命。現(xiàn)階段鋰電池的散熱方式主要有利用空氣冷卻的風(fēng)冷模式、利用液體冷卻的水冷模式、相變材料冷卻、結(jié)合冷卻等,通過技術(shù)研發(fā)提升熱管理性能是保證電池安全性的重要舉措之一。

3.2 對(duì)內(nèi)部材料及結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良

電池電芯內(nèi)部材料主要是正負(fù)極材料、隔膜、電解液等,選用耐熱性能更佳、散熱性能更強(qiáng)的材料是保證電池安全的關(guān)鍵。如選用電導(dǎo)率更高的固態(tài)電解液、可逆容量更好的負(fù)極材料、安全性更高的隔膜材料都是提升電池?zé)嵝阅艿挠行Х椒ā?duì)正負(fù)極進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造,升級(jí)電池系統(tǒng)技術(shù),雙管齊下更能保證電池的性能安全。

3.3 大力引進(jìn)人才,加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)

高素質(zhì)的人才是保證鋰電池質(zhì)量的關(guān)鍵所在，我國(guó)的動(dòng)力電池行業(yè)更加要注重對(duì)人才的引進(jìn)與培養(yǎng),這是適應(yīng)新時(shí)代經(jīng)濟(jì)行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。要加大科技人才和專業(yè)管理人才的引進(jìn)力度,突破科研瓶頸。要建立科技攻關(guān)激勵(lì)機(jī)制,獎(jiǎng)勵(lì)鼓勵(lì)在技術(shù)、管理等方面的創(chuàng)新舉措和建言獻(xiàn)策的人員。在技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新,研發(fā)關(guān)鍵零部件,對(duì)生產(chǎn)設(shè)備與工藝流程改造升級(jí),延長(zhǎng)動(dòng)力電池的使用周期,在傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上完成新工藝與新技術(shù)的研發(fā)、試制、測(cè)試、投入,為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展夯實(shí)基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

生態(tài)型城市已經(jīng)成為新時(shí)期的城市發(fā)展方向,良好的生態(tài)環(huán)境是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的先決條件,能源的可持續(xù)發(fā)展決定著經(jīng)濟(jì)社會(huì)是否能健康持續(xù)發(fā)展。動(dòng)力鋰電池作為新能源汽車的主流動(dòng)力源,其安全、穩(wěn)定、可靠的性能是保證和加快新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要前提,也是實(shí)現(xiàn)建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的重要途徑。通過提高電池正負(fù)極材料穩(wěn)定性、優(yōu)化電池隔膜材料、提高融化溫度、開發(fā)阻燃或不燃電解液、改善電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、及時(shí)預(yù)警排查故障電池、發(fā)展火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)和消防滅火技術(shù)等諸多技術(shù)創(chuàng)新,在各個(gè)方面不斷完善提升,切實(shí)提高動(dòng)力鋰電池的安全防控性能,更好地促進(jìn)新能源汽車行業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展。