摘要：新能源汽車(chē)在雙碳背景下快速發(fā)展，但鋰電池?zé)崾Э叵拗屏诵履茉雌?chē)的大規(guī)模普及，為更好地抑制并控制熱失控問(wèn)題，需對(duì)熱失控氣體進(jìn)行提取與驗(yàn)證?；诖?，首先簡(jiǎn)單闡述了鋰電池?zé)崾Э匚：?，分析新能源汽?chē)鋰電池?zé)崾Э氐谋尘芭c演化，進(jìn)一步從加熱、過(guò)充兩個(gè)方面組織試驗(yàn)，提取并驗(yàn)證新能源汽車(chē)鋰電池?zé)崾Э貧怏w，旨在為后續(xù)新能源鋰電池研發(fā)提供一定借鑒。

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē);鋰電池;熱失控參數(shù)

引言：新能源汽車(chē)項(xiàng)目是推動(dòng)雙碳戰(zhàn)略的重要部分，但鋰電池性能對(duì)新能源汽車(chē)的大規(guī)模推廣應(yīng)用產(chǎn)生了極大限制，該限制不僅體現(xiàn)在鋰電池蓄電供電方面，還存在于熱失控引發(fā)的火災(zāi)、爆炸方面，為推進(jìn)新能源汽車(chē)發(fā)展，貫徹落實(shí)雙碳戰(zhàn)略，應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)鋰電池現(xiàn)有不足展開(kāi)針對(duì)性研究解決，相較于蓄電供電性能，熱失控所引發(fā)的問(wèn)題更為嚴(yán)重，為有效解決該問(wèn)題，可將氣體作為切入點(diǎn)展開(kāi)分析。

一、鋰電池?zé)崾Э匚：?/p>

“十四五”規(guī)劃強(qiáng)調(diào)了綠色發(fā)展的新時(shí)代主題，注重生態(tài)保護(hù)，在全國(guó)兩會(huì)中再次提出產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展的目標(biāo)，對(duì)2030年碳達(dá)峰與2060年碳中和目標(biāo)進(jìn)一步闡述，指出生產(chǎn)總值能耗需于2030年降低13.5%，而二氧化碳排放量需于2030年降低18%[1]。在雙碳戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)下，新能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，其中新能源汽車(chē)為新時(shí)代重要項(xiàng)目，鋰電池因其使用壽命長(zhǎng)、自放電率低、無(wú)記憶效應(yīng)、能量密度高等特點(diǎn)而被應(yīng)用到新能源汽車(chē)內(nèi)，但隨著鋰電池在新能源汽車(chē)中的大規(guī)模應(yīng)用，陸續(xù)發(fā)生了火災(zāi)、爆炸等安全事故，給高能量密度鋰離子電池的應(yīng)用提出了警醒。在《2020年電動(dòng)汽車(chē)起火事故分析報(bào)告》中指出，在不完全統(tǒng)計(jì)的情況下，2020年新能源電動(dòng)汽車(chē)發(fā)生的冒煙、自燃等事故共計(jì)124起，相較于2019年增加了四分之一[2]。冒煙、自燃、火災(zāi)、爆炸等安全事故的原因主要為鋰電池的熱失控問(wèn)題，在熱失控作用下，熱量在鋰電池內(nèi)不斷累積，使鋰電池逐漸升溫，該升溫現(xiàn)象將帶動(dòng)鋰電池電壓、內(nèi)阻的提高，使鋰電池內(nèi)部熱量產(chǎn)生速度進(jìn)一步增，繼而使溫度迅速超出限值，出現(xiàn)冒煙、自燃、火災(zāi)、爆炸等安全事故，損害新能源車(chē)體與鋰電池結(jié)構(gòu)，并會(huì)產(chǎn)生安全隱患，對(duì)新能源汽車(chē)的應(yīng)用推廣造成限制，不利于雙碳戰(zhàn)略的有效落實(shí)。

二、新能源汽車(chē)鋰電池?zé)崾Э氐谋尘芭c演化

（一）熱失控背景

鋰電池在新能源汽車(chē)中的應(yīng)用是新時(shí)代市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)發(fā)展的結(jié)果，同樣也是綠色節(jié)能社會(huì)的主要表現(xiàn)，是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的未來(lái)趨勢(shì)，熱失控風(fēng)險(xiǎn)所產(chǎn)生的不可逆熱源降低了鋰電池的應(yīng)用安全性，為促進(jìn)新能源汽車(chē)發(fā)展，應(yīng)重視鋰電池?zé)崾Э貑?wèn)題。在雙碳背景下，針對(duì)新能源電動(dòng)客車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、動(dòng)力蓄電池等相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)布了強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，以政策標(biāo)準(zhǔn)為導(dǎo)向，使新能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)指明未來(lái)發(fā)展方向。隨著雙碳戰(zhàn)略的有效落實(shí)，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，其汽車(chē)保有量逐漸提升，新能源電動(dòng)汽車(chē)基數(shù)擴(kuò)大，這就意味著鋰電池發(fā)生熱失控現(xiàn)象的概率有所提高，若在未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中不加以控制，將會(huì)引發(fā)熱失控事故，降低新能源汽車(chē)安全性。為避免鋰電池?zé)崾Э貑?wèn)題引發(fā)安全事故，應(yīng)結(jié)合熱失控特征進(jìn)行早期預(yù)警，通過(guò)對(duì)熱失控參數(shù)的提取驗(yàn)證，為熱失控預(yù)警探測(cè)體系的構(gòu)建提供依據(jù)。對(duì)當(dāng)前鋰電池?zé)崾Э厍疤釛l件進(jìn)行總結(jié)，主要包括外部加熱、過(guò)充、過(guò)放、大電流充電、穿刺、擠壓、外短路等，上述前提條件發(fā)生后，將會(huì)出現(xiàn)析鋰、內(nèi)短路，在鋰電池內(nèi)部發(fā)生電極-電解液反應(yīng)、分解反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)上述反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量，引發(fā)泄壓、釋放氣體、煙霧、燃燒等的現(xiàn)象，繼而出現(xiàn)熱失控問(wèn)題。

（二）熱失控演化

鋰電池在新能源汽車(chē)中的應(yīng)用伴隨著諸多充放電循環(huán)，在長(zhǎng)期使用或惡劣條件作用下，將對(duì)鋰電池產(chǎn)生不良反應(yīng)，加速鋰電池老化，逐漸出現(xiàn)內(nèi)部析鋰現(xiàn)象，嚴(yán)重降低新能源汽車(chē)鋰電池安全性。熱失控的產(chǎn)生通常是諸多不利因素逐漸累積的結(jié)果，在熱失控不利因素長(zhǎng)期積累演下出現(xiàn)安全事故，因此應(yīng)用新能源汽車(chē)時(shí)，應(yīng)做好保養(yǎng)工作，并定期檢查車(chē)況，以此降低新能源汽車(chē)鋰電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)。外部突發(fā)狀況同樣可促進(jìn)鋰電池?zé)崾Э貑?wèn)題的產(chǎn)生，如車(chē)禍等，鋰電池系統(tǒng)遭受外部沖擊作用而損壞，繼而引發(fā)熱失控現(xiàn)象。當(dāng)新能源汽車(chē)遭遇車(chē)禍后，鋰電池受到突然性撞擊而機(jī)械變形，在外力擠壓作用下逐漸扭曲，繼而發(fā)生鋰電池位移，若突發(fā)狀況嚴(yán)重，可能會(huì)有尖銳物品對(duì)鋰電池造成穿刺，引發(fā)熱失控。該類(lèi)突發(fā)性事故難以預(yù)測(cè)，無(wú)法運(yùn)用探測(cè)裝置進(jìn)行預(yù)警，此時(shí)需總結(jié)各類(lèi)突發(fā)事故的特征，根據(jù)外部沖擊對(duì)鋰電池?fù)p傷情況，改變鋰電池在新能源汽車(chē)中結(jié)構(gòu)與布置，降低車(chē)禍等外部沖擊對(duì)鋰電池的影響，降低機(jī)械變形問(wèn)題出現(xiàn)概率。

（三）熱失控參數(shù)

鋰電池受到內(nèi)外部條件影響出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象時(shí)，同樣伴有氣體釋放、泄壓、煙霧等現(xiàn)象，熱量之間累積產(chǎn)生高熱火焰，新能源汽車(chē)中的鋰電池同樣設(shè)置在IP67外殼防護(hù)穩(wěn)態(tài)環(huán)境中，當(dāng)鋰電池發(fā)生熱失控現(xiàn)象后，相關(guān)參數(shù)將會(huì)呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)變化特征，出現(xiàn)可見(jiàn)煙、火焰、高熱現(xiàn)象，熱失控早期時(shí)，經(jīng)氣體探測(cè)器驗(yàn)證氣體，根據(jù)氣體濃度變化判斷是否會(huì)發(fā)生熱失控問(wèn)題，此外運(yùn)用感煙探測(cè)器、視頻探測(cè)器了解鋰電池可見(jiàn)煙情況，運(yùn)用感光探測(cè)器、感溫探測(cè)器分別確定火焰與高熱溫度，以此構(gòu)建多層次化鋰電池?zé)崾Э仡A(yù)警體系。上述預(yù)警體系構(gòu)建的關(guān)鍵在于鋰電池?zé)崾Э貐?shù)的提取，要求該參數(shù)能夠代表并清晰呈現(xiàn)出鋰電池?zé)崾Э匕l(fā)展演化情況，且不會(huì)受到鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)影響而出現(xiàn)錯(cuò)誤信號(hào)，結(jié)合上述預(yù)警探測(cè)情況來(lái)看，早期預(yù)警的主要方式為氣體，故在構(gòu)建熱失控預(yù)警體系時(shí)，應(yīng)可將熱失控氣體作為關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)氣體型號(hào)的提取優(yōu)化氣體探測(cè)器，以此更為精準(zhǔn)地探測(cè)預(yù)警鋰電池?zé)崾Э貑?wèn)題。

三、提取新能源汽車(chē)熱失控氣體成分參數(shù)的驗(yàn)證試驗(yàn)

為良好提取鋰電池?zé)崾Э卦缙谔卣鳎瑢怏w作為重要探測(cè)參數(shù)，通過(guò)氣體參數(shù)等精準(zhǔn)探測(cè)提高預(yù)警效果，繼而提升新能源汽車(chē)安全性。在熱失控引發(fā)因素中，加熱與過(guò)充是引發(fā)氣體變化的主要因素，以下將采取加熱與過(guò)充兩種方式進(jìn)行熱失控誘發(fā)驗(yàn)證試驗(yàn)。

（一）加熱誘發(fā)失控

1.試驗(yàn)步驟

熱失控誘發(fā)試驗(yàn)前，需準(zhǔn)備IP67外殼防護(hù)的氣體采集箱，該采集箱配備壓力表一個(gè)，球閥兩個(gè)。采用加熱方式誘發(fā)鋰電池?zé)崾Э卣归_(kāi)氣體驗(yàn)證試驗(yàn)的步驟如下：（1）對(duì)試驗(yàn)所準(zhǔn)備的氣體采集箱進(jìn)行全面清理，去除雜質(zhì)。（2）準(zhǔn)備兩個(gè)加熱片（功率300W），以加熱片為熱源展開(kāi)加熱誘導(dǎo)試驗(yàn)，在夾具幫助下，將加熱片固定在磷酸鐵鋰電池（120Ah）表面，避免鋰電池加熱期間殼體膨脹變形導(dǎo)致加熱片脫落，熱量無(wú)法有效傳遞給鋰電池而試驗(yàn)失敗。（3）準(zhǔn)備溫度探測(cè)器兩個(gè)，分別置于鋰電池背面與加熱片接觸面，用于了解試驗(yàn)加熱溫度。（4）準(zhǔn)備熱失控參數(shù)探測(cè)器，將其安裝至試驗(yàn)箱頂部，同時(shí)借助監(jiān)控軟件，便于對(duì)煙霧、氣體、溫度參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)詳細(xì)記錄并存儲(chǔ)。（5）完成上述準(zhǔn)備后，將鋰電池置于氣體采集箱內(nèi)，按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置并關(guān)閉氣體采集箱，關(guān)閉氣體采集箱球閥，將采集箱門(mén)完全鎖死。（6）準(zhǔn)備攝像機(jī)，將其架設(shè)在試驗(yàn)場(chǎng)地，用于錄制整個(gè)加熱誘導(dǎo)熱失控提取驗(yàn)證試驗(yàn)，在加熱期間，需將傳感探測(cè)裝置采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，按照錄像時(shí)間校準(zhǔn)數(shù)據(jù)時(shí)間。（7）加熱誘導(dǎo)開(kāi)始后，發(fā)現(xiàn)鋰電池防爆閥轉(zhuǎn)為開(kāi)啟狀態(tài)后，需將加熱片電源關(guān)閉。（8）停止加熱后將球閥打開(kāi)，并啟動(dòng)取樣泵，將氣體排出，將采氣袋與采樣泵排氣管銜接，開(kāi)啟采氣袋閥門(mén)，以此采集熱失控氣體。（9）完成取氣后依次關(guān)閉采樣泵、采氣袋閥門(mén)、箱體球閥。

2.參數(shù)判定

加熱片對(duì)鋰電池?zé)崾Э剡M(jìn)行加熱誘發(fā)，在熱量作用下，鋰電池內(nèi)部發(fā)生一系列反應(yīng)，繼而出現(xiàn)氣體。對(duì)熱失控氣體參數(shù)進(jìn)行判定分析，發(fā)現(xiàn)氣體濃度隨著熱量的增加而表現(xiàn)出平滑增長(zhǎng)趨勢(shì)，待鋰電池泄壓閥開(kāi)啟后，氣體濃度顯著上升。因此，為保障鋰電池?zé)崾Э卦缙陬A(yù)警效果，可將某氣體作為檢測(cè)判定依據(jù)，要求該熱失控氣體并非空氣主要成分，避免引起錯(cuò)誤預(yù)警，為保障氣體探測(cè)判定準(zhǔn)確性，該熱失控氣體需被傳感裝置定量檢測(cè)，打開(kāi)防爆閥后該氣體需產(chǎn)生明顯濃度變化。

3.試驗(yàn)結(jié)論

結(jié)合上述參數(shù)判定要求選擇熱失控氣體參數(shù)，最終將該氣體選擇為一氧化碳，通過(guò)對(duì)一氧化碳的氣體探測(cè)展開(kāi)熱失控的早期預(yù)警[3]。在加熱誘發(fā)試驗(yàn)中，主要采集到的氣體包括氧氣、氮?dú)?、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙烷，其中氧氣、氮?dú)?、二氧化碳的參?shù)變化較小，且屬于空氣主要成分，無(wú)法予以直觀判斷，而乙烯、乙烷的探測(cè)裝置成本較高，使用壽命短，不利于新能源鋰電池?zé)崾Э卦缙陬A(yù)警，而一氧化碳參數(shù)變化相對(duì)明顯，且一氧化碳傳感探測(cè)裝置使用壽命長(zhǎng)，成本較小，適用性較強(qiáng)，因此可將一氧化碳參數(shù)作為熱失控預(yù)警參數(shù)，將傳感探測(cè)預(yù)警與新能源汽車(chē)能源體系進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，一旦出現(xiàn)預(yù)警將自動(dòng)切斷電源，若鋰電池正在充電，則會(huì)停止充電，若新能源汽車(chē)正在行駛，則會(huì)逐漸減速，并切斷電源，以此提升新能源汽車(chē)安全性。

（二）過(guò)充誘發(fā)失控

1.試驗(yàn)方案

準(zhǔn)備5V/120A的恒流充電設(shè)備，將其進(jìn)行鋰電池過(guò)充，通過(guò)過(guò)充提升鋰電池溫度，繼而出現(xiàn)鼓包、發(fā)熱現(xiàn)象，并出現(xiàn)可燃蒸汽、可燃?xì)怏w，釋放電解液[4]。在過(guò)充誘發(fā)熱失控試驗(yàn)中，主要提取驗(yàn)證防火裝置預(yù)警性能，通過(guò)設(shè)置為各類(lèi)傳感探測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)箱內(nèi)環(huán)境，并詳細(xì)記錄數(shù)據(jù)，繪制曲線(xiàn)圖。

2.試驗(yàn)過(guò)程

鋰電池運(yùn)行溫度需低于60℃，但通過(guò)過(guò)充試驗(yàn)驗(yàn)證后，發(fā)現(xiàn)因快充將鋰電池表面溫度提升至58℃時(shí)，傳感探測(cè)裝置所采集到的數(shù)據(jù)證明，當(dāng)鋰電池溫度58℃時(shí)，一氧化碳濃度逐漸開(kāi)始提升，且出現(xiàn)電池鼓包現(xiàn)象，當(dāng)溫度達(dá)到58.7℃時(shí)，發(fā)現(xiàn)一氧化碳濃度已達(dá)20ppm。待鋰電池溫度達(dá)到極限（60℃）時(shí)，溫度傳感器將自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，鋰電池達(dá)到60℃后，一氧化碳濃度逐漸提升至300ppm。鋰電池隨著充電的繼續(xù)進(jìn)行而持續(xù)膨脹，同時(shí)電解液氣體隨著鋰電池溫度提升而不斷生成的氣體，待鋰電池表面70℃時(shí)，對(duì)一氧化碳?xì)怏w濃度進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)其濃度已達(dá)1000ppm。為了解不同溫度下的一氧化碳濃度，明確引發(fā)鋰電池?zé)崾Э氐倪^(guò)熱溫度，對(duì)不同溫度條件的一氧化碳進(jìn)行采集，發(fā)現(xiàn)電解液于78℃時(shí)快速?lài)姵?，鋰電池表面溫度達(dá)到86.7℃出現(xiàn)熱失控問(wèn)題，待表面溫度持續(xù)上升至100℃時(shí)，鋰電池具有爆炸隱患。在過(guò)充誘發(fā)熱失控驗(yàn)證試驗(yàn)中，對(duì)氣體樣本進(jìn)行綜合分析，詳細(xì)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為提升新能源汽車(chē)應(yīng)用鋰電池時(shí)，必須做好溫度閾值設(shè)定與溫度預(yù)警，并增設(shè)一氧化碳傳感探測(cè)裝置進(jìn)行預(yù)警。

3.判定結(jié)論

通過(guò)上述過(guò)充試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)將鋰電池溫度警報(bào)閾值定為60℃較為科學(xué)，一旦發(fā)出溫度預(yù)警后，應(yīng)盡快進(jìn)行解決處理，將鋰電池判定為故障，同時(shí)注意觀察一氧化碳濃度的變化情況，當(dāng)預(yù)警發(fā)出后的13s一氧化碳濃度提升至300ppm，則意味著鋰電池泄壓閥已被打開(kāi)，有電解液泄出。通過(guò)過(guò)充誘發(fā)熱失控驗(yàn)證試驗(yàn)，能夠進(jìn)一步證明一氧化碳可作為熱失控典型參數(shù)，可將一氧化碳濃度升高作為熱失控前兆，以此更便于進(jìn)行熱失控預(yù)防預(yù)警，使新能源汽車(chē)鋰電池?zé)崾Э仡A(yù)警體系更為完整可靠。

（三）兩種試驗(yàn)總結(jié)

采用加熱與快充兩種形式誘發(fā)鋰電池?zé)崾Э?，發(fā)現(xiàn)氣體參數(shù)在熱失控期間出現(xiàn)較大變化，呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，經(jīng)綜合分析后，將一氧化碳作為鋰電池?zé)崾Э氐湫蛥?shù)，一氧化碳并非大氣主要成分，故避免了錯(cuò)誤預(yù)警問(wèn)題，同時(shí)待熱失控導(dǎo)致防爆閥打開(kāi)后，一氧化碳濃度將出現(xiàn)顯著變化，便于參數(shù)采集。一氧化碳?xì)怏w傳感探測(cè)裝置現(xiàn)已研發(fā)成熟，此時(shí)可借助一氧化碳?xì)怏w傳感探測(cè)裝置進(jìn)行熱失控早期預(yù)警，以此降低熱失控事故發(fā)生率，推動(dòng)新能源汽車(chē)的可持續(xù)發(fā)展。

結(jié)束語(yǔ)：綜上所述，鋰電池?zé)崾Э氐奈：^大，為避免鋰電池?zé)崾Э卦斐苫馂?zāi)、爆炸事故，結(jié)合兩次熱失控氣體提取驗(yàn)證試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)一氧化碳在鋰電池?zé)崾Э仄陂g出現(xiàn)了明顯的濃度變化，在后續(xù)鋰電池研發(fā)中，可運(yùn)用一氧化碳濃度探測(cè)裝置，對(duì)鋰電池?zé)崾Э剡M(jìn)行防控預(yù)警，避免出現(xiàn)火災(zāi)、爆炸事故，為新能源汽車(chē)的推廣應(yīng)用創(chuàng)造安全環(huán)境，以此有效推動(dòng)雙碳戰(zhàn)略。

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作者簡(jiǎn)介：馮毅（1983年7月），男，湖北武漢人，漢族，本科，助講，主要從事汽車(chē)電器方向研究。