车用锂离子动力电池系统的安全性剖析

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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?

车用锂离子动力电池系统的安全性剖析

1 动力电池安全性问题

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。

车用锂离子动力电池系统的安全性剖析

图1 近年来部分锂离子动力电池事故

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。

车用锂离子动力电池系统的安全性剖析

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。

车用锂离子动力电池系统的安全性剖析

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。

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