汽車動力電池系統(tǒng)熱失控引發(fā)的安全性問題剖析
電動汽車是新能源行業(yè)中發(fā)展最為迅速的新興產業(yè)。然而以熱失控為特征的鋰離子電池系統(tǒng)的安全性事故時有發(fā)生,困擾著電動汽車的發(fā)展。本文跨越小編將探討動力電池的安全性問題,為大家剖析動力電池因熱失控所造成安全性事故的常見形式及成因。
動力電池安全性問題
鋰離子動力電池事故主要表現(xiàn)為因熱失控帶來的起火燃燒。今年電動汽車因熱失控發(fā)生的安全事故如圖1、表1所示。
(表-1 近年發(fā)生的鋰離子動力電池事故)
(圖-1 近年發(fā)生的鋰離子動力電池事故)
(1)電池系統(tǒng)安全性的“演變”。即電池系統(tǒng)長期老化——“演化”(事故1、2、3、5、7)和突發(fā)事件造成電池系統(tǒng)損壞——“突變”(事故4、6)。
(2)“觸發(fā)”——鋰離子動力電池從正常工作到發(fā)生熱失控與起火燃燒的轉折點。
(3)“擴展”——熱失控帶來的向周圍傳播的次生危害。
鋰離子動力電池系統(tǒng)安全性問題表現(xiàn)為3個層次(圖2所示)。
(圖-2 動力電池系統(tǒng)安全性問題的層次)
動力電池安全性演變機理
電池系統(tǒng)長期老化帶來的可靠性降低,演化耗時長,可以通過檢測電池系統(tǒng)的老化程度來評估電池系統(tǒng)安全性的變化;相比而言安全性突變難以預測,但是可以通過既有事故的形式來改進電池系統(tǒng)的設計。
電池系統(tǒng)任何部件的老化都可能帶來安全事故的觸發(fā),如事故1、7。除此之外,電池本身的安全性演化主要表現(xiàn)為內短路的發(fā)展。電池內部的金屬枝晶生長是造成內短路的主要原因之一。值得一提的是,老化電池的能量密度降低,熱失控造成的危害可能會降低;另一方面老化電池更容易發(fā)生熱失控。
(圖3 鋰離子電池內部金屬枝晶的生長與隔膜的刺穿)
動力電池系統(tǒng)熱失控機理
動力電池事故發(fā)生前必然要進入“觸發(fā)”階段。一般在這之后,電池內部的能量將會在瞬間集中釋放造成熱失控,引發(fā)冒煙、起火與爆炸等現(xiàn)象。當然電池安全事故中,也可能不發(fā)生熱失控,熱失控后的電池不一定會同時發(fā)生冒煙、起火與爆炸,也可能都不發(fā)生,這取決于電池材料發(fā)生熱失控的機理。
圖4、圖5與表2展示了某款具有三元正極/PE基質的陶瓷隔膜/石墨負極的25 A·h鋰離子動力電池的熱失控機理。熱失控過程分為了7個階段。
圖4 某款三元鋰離子動力電池熱失控實驗數(shù)據(jù)(實驗儀器為大型加速絕熱量熱儀,EV-ARC)
圖5 某款三元鋰離子動力電池熱失控不同階段的機理
(表-2 某款鋰離子動力電池熱失控的分階段特征與機理)
對于冒煙的情況,在階段V,如果電池內部溫度低于正極集流體鋁箔的熔化溫度660℃,電池正極涂層就不會隨著反應產生的氣體噴出,此時觀察到的會是白煙;反之則是黑煙。
對于起火的情況,引燃的主要原因是噴出的氣體溫度高于其閃點,電解液氣體與氧氣劇烈反應。
對于爆炸的情況,必備的條件是電池內部具有高壓氣體積聚,安全閥則是及時釋放高壓積聚氣體的關鍵。
動力電池熱失控事故觸發(fā)的分類
根據(jù)觸發(fā)的特征,可以分為機械觸發(fā)、電觸發(fā)和熱觸發(fā)3類。
圖6 事故觸發(fā)的分類
熱失控擴展的機理
熱失控擴展過程中的熱量傳遞有3條可能的主要路徑:
(1)相鄰電池殼體之間的導熱;
(2)通過電池極柱的導熱;
(3)單體電池起火對周圍電池的炙烤。
圖7 熱失控擴展的幾條可能路徑
動力電池系統(tǒng)安全性問題主要分為3個層次,即“演變”、“觸發(fā)”與“擴展”。從這三個層次出發(fā),深入研究各個層次的熱系統(tǒng)轉化機理及其演變過程,提出有效的事故防范措施和安全性監(jiān)控措施,是下一步動力電池模組研究的工作重點。
防范熱失控擴展與電池系統(tǒng)設計的矛盾
導熱性能是指導熱材料傳遞熱量的能力。不同物質導熱系數(shù)各不相同,相同物質的導熱性能與多種因素有關。例如:結構、密度、濕度、溫度、壓力等。同一物質的含水率低、溫度較低時,導熱系數(shù)較小。一般來說,固體的熱導率比液體的大,而液體的又要比氣體的大。這種差異很大程度上是由于這兩種狀態(tài)分子間距不同所導致。
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