動力電池安全性分析及檢測技術概述

鄭昆，丁勝，林文表，馬軍，傅釗，樊文琪,2

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

引言

隨著新能源汽車產業的大力發展，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動力電池自燃或燃燒現象，進而可導致車毀人亡，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注[1]。因此，分析動力電池安全性及相關檢測標準具有重要意義。

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、并聯或串并聯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、負極材料、隔膜、電解液、殼體等組成，帶電離子在正負極之間運動，從而實現電荷轉移，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，進入電解液中，同時產生多余電子通過正極集流體，經外部電路向負極運動；鋰離子在電解液中從正極向負極運動，穿過隔膜到達負極石墨層狀結構中，并與電子結合。放電過程與之相反，鋰離子從負極表面脫嵌經過電解液，同時產生多余電子通過負極集流體，經外部電路向正極運動；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生熱失控開始，進而逐步擴散。組成鋰離子電池（電芯）的正極、負極、電解液、隔膜等，在其狀態發生改變（如外界促使其發生化學反應等）均有可能獨自或組合誘發電池發生燃燒或爆炸[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）與電解液發生反應的隱患，同時會釋放氧氣，進而可導致燃燒、爆炸，正極材料的熱穩定排序：磷酸鐵鋰＞錳酸鋰＞三元材料＞鈷酸鋰。

2.2 負極材料安全性

鋰電池負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，這些物質中存在還原性較強的碳，充放電、高溫時存在與正極材料脫出的氧氣發生劇烈反應的可能，同時，隨著溫度的升高，負極材料中鋰與電解液進一步發生放熱反應，進而導致燃燒、爆炸；同時低溫下負極表面會發生鋰沉積副反應，可引起電池短路。

2.3 電解液安全性

電解液主要由有機溶劑和鋰鹽組成，有機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。在高溫等使用不當的條件下鋰鹽會分解出氧氣，酯類分解出一氧化氮、甲烷等易燃氣體，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極，防止發生短路。因此，電池溫度過高時，存在融化隔膜的可能，失去隔離正負極的作用，造成內部短路，產生極大電流，進而導致電池燃燒、爆炸[1,5,6]。

2.5 電池管理系統

由電池電子部件和控制單元組成的電池管理系統（BMS）是動力電池的“大腦”，包含熱管理模塊、高壓監控等功能模塊。其中，熱管理模塊具有電池溫度較高時進行有效散熱、溫度較低時提升電池溫度及降低電池內部溫度差異、抑制局部溫度過高等功能，電池熱管理是電池安全性的關鍵部分[6-8]。

2.6 燃燒爆炸機理

結合2.1-2.4節，當鋰電池因故短路時（主要由高溫、擠壓、過充等狀態下濫用或使用老化及制造缺陷造成等），內部溫度升高，電池正負極、電解液、隔膜組分間將發生化學反應，產生大量的熱量與氣體，電池自身熱管理失控，當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、爆炸的本質原因[9-12]。

圖2 鋰電池燃燒爆炸機理

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電池內部發生短路后，電解液、正負極發生化學或電化學反應產生氣體，使得電池內部壓力逐步增大，直至壓力超過電池泄壓閥的最大壓力，內部氣體通過泄壓孔噴出，此為初爆。②電池內部溫度持續升高，超過電解液燃點，使得電池迅速燃燒，在短時間內電池內部溫度和壓力激增，最終形成燃燒、爆炸現象，伴隨著巨大的沖擊力，可噴射出達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800～1500 ℃，且電池的荷電狀態（SOC）越高，燃燒速率越快，燃燒持續時間越長，燃燒危害性越大[13-17]。

3 國內外檢測技術標準

國內外涉及動力電池安全性檢測技術標準主要有ISO 12405、IEC 62660、UL2580、GB/T 31467-2015等系列標準，主要涉及動力電池過充、過放、振動、機械沖擊、針刺、擠壓、外部短路等安全性檢測[18,19]。

3.1 國際檢測技術標準

國際動力電池檢測技術標準特點及安全相關的主要檢測項目見表1、表2所示，主要標準有ISO 12405-1、ISO 12405-2、ISO 12405- 、IEC 62660-1、IEC 62660-2等。

表1 國際主要檢測技術標準特點

表2 國外主要檢測技術標準項目及條件

3.2 國內檢測技術標準

國內動力電池檢測技術標準適用對象及技術特點見表3所示。其中標準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，加強了對電池包和系統的安全性要求，新提出了對電池包和系統的熱擴散要求，即電池包和系統在由于單個電池熱失控引起熱擴散、進而導致乘員艙發生危險之前5 min，應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 國內主要檢測技術標準特點

表4 GB 38031-2020主要檢測項目及條件

由以上檢測標準可知，國內外動力電池的安全性測試分為3大類：機械安全測試類（振動、沖擊、擠壓等）、環境安全測試類（熱沖擊、溫濕循環、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外標準有些差異，但整體區別不大。對比GB/T 31485-2015、GB/T 31467.3-2015，我國新國標GB 38031-2020中刪除了跌落、翻轉、針刺等機械安全類測試項，新增了熱擴散和過流檢測，將電池包和系統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制性標準。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 結束語

本文結合鋰電池工作原理，研究了動力電池安全性相關的燃燒爆炸機理及過程；同時總結了國內外動力電池主要檢測標準，重點分析了我國首個動力電池安全性強制標準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境均要求是室溫或高溫，但對低溫環境未有要求，而鋰電池在低溫下會導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氣密性和防塵的要求，而粉塵進入動力電池內部，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（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應在安全性中起到更多的作用。