于秩祥Yu Zhixiang

電動汽車動力電池使用安全性研究

于秩祥
Yu Zhixiang

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 實驗實訓(xùn)管理處，江蘇 徐州 221116）

針對電動汽車自燃事故，結(jié)合電動汽車動力電池分類和結(jié)構(gòu)原理，分析電動汽車使用過程中動力電池的安全隱患，探討動力電池?zé)崾Э貦C(jī)理和鋰枝晶產(chǎn)生因素；在動力電池溫度控制、充放電工況和車輛使用上提出優(yōu)化方法，提升動力電池的使用安全性，避免動力電池出現(xiàn)鋰枝晶后引起熱失控導(dǎo)致電動汽車自燃；最后給出了電動汽車使用的保護(hù)措施。

自燃；熱失控；電動汽車；動力電池；鋰枝晶；電池安全

0 引 言

公安部數(shù)據(jù)顯示，截至2022年6月底，國內(nèi)新能源汽車保有量已突破1 000萬輛，達(dá)到1 001萬輛，占汽車保有總量3.23%；其中，純電動汽車保有量為810.4萬輛，占新能源汽車保有總量80.93%[1]。電動汽車會由于動力電池?zé)崾Э囟l(fā)自燃事故，自燃可以發(fā)生在使用的各個環(huán)節(jié)，行駛過程中自燃、充電過程中自燃、停置時自燃、高溫下自燃、發(fā)生碰撞事故后自燃[2]。在各種誘因下，內(nèi)部單體鋰離子電池?zé)崾Э睾?，發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量，伴隨噴射、泄氣和爆炸等現(xiàn)象快速引發(fā)整塊動力電池起火燃燒[3]。根據(jù)國家應(yīng)急管理部消防救援局公布的數(shù)據(jù)，截至2021年底，電動汽車起火事故中60%左右由動力電池?zé)崾Э匾穑?0%左右由充電過程引起，5%左右由交通事故碰撞引起；2022年第1季度國內(nèi)接報新能源汽車火災(zāi)共640起，同比上升32%，而交通工具火災(zāi)發(fā)生的平均增幅為8.8%[4]。本文通過對動力電池分析，提出降低電動汽車自燃風(fēng)險的保護(hù)措施。

1 動力電池類型

電動汽車的動力電池主要分為磷酸鐵鋰和三元鋰，單位容量相同的兩種動力電池的性能比較見表1；前者采用磷酸鐵鋰作為正極材料，其優(yōu)點是在高溫條件下或過充時安全性高，缺點是低溫條件下電量衰減快；后者主要分為NCM（Ni、Co、Mn，鎳、鈷、錳）和NCA（Ni、Co、Al，鎳、鈷、鋁）兩種，三元鋰電池采用NCM或NCA作為正極材料，將鎳鹽、鈷鹽、錳鹽三種成分按不同比例進(jìn)行調(diào)整[5]，當(dāng)采用高鎳、低鈷或者無鈷比例時，意味著高容量（高鎳）和低穩(wěn)定性（低鈷或無鈷），此時正極的熱穩(wěn)定性極差，遇到高溫、外力等沖擊更容易引發(fā)熱失控。車企為提升續(xù)駛里程，會采用大容量的三元鋰動力電池，車輛使用中如控制不當(dāng)更容易引發(fā)電池?zé)崾Э剡M(jìn)而引起車輛自燃。

表1 磷酸鐵鋰和三元鋰動力電池性能對比

2 動力電池?zé)崾Э?/h2>

2.1 熱失控機(jī)理

電動汽車自燃的一個重要原因是電池?zé)崾Э兀侵鸽姵胤艧徇^程中，自溫升速急劇變化，溫度急劇升高，造成過熱、起火、爆炸等現(xiàn)象。熱失控是一個逐漸反應(yīng)過程，理論上可以進(jìn)行監(jiān)控甚至預(yù)警。電動汽車使用過程中，在大倍率充放電工況和惡劣熱環(huán)境中，使生成的熱量大量聚集，電池溫度明顯上升。動力電池的正常工作溫度為20～50 ℃，充放電過程中溫度控制不好，會使電池溫度快速上升，并會進(jìn)一步加劇電池內(nèi)部副反應(yīng)生熱，反復(fù)循環(huán)最終導(dǎo)致熱失控[6-7]。電池溫度升高時，電池管理系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)會進(jìn)行電流控制和冷卻散熱，避免電池過熱引發(fā)一系列副反應(yīng)。

2.2 電池?zé)崾Э嘏c鋰枝晶

動力電池內(nèi)部短路是風(fēng)險最大的鋰枝晶副作用。鋰枝晶是由高度活潑的鋰原子在成核位點與電解質(zhì)膜之間的界面上進(jìn)行不規(guī)則電沉積所產(chǎn)生的類似枝裝的鋰晶體；液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池首次充放電時，電極材料和電解液在固液相界面發(fā)生復(fù)雜反應(yīng)，形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層，即SEI（Solid Electrolyte Interphase，固體電解質(zhì)界面）膜，其中負(fù)極SEI膜對電池影響更大。SEI膜具有有機(jī)溶劑不溶性，是電子絕緣體，e?無法通過，但是良好的離子導(dǎo)體，鋰離子可以順利通過。鋰離子在負(fù)極表面不均勻沉積會形成鋰枝晶（析鋰），并會持續(xù)不均勻生長下去，變得更長、更粗、更尖。當(dāng)鋰枝晶生長到一定程度時，其靠近負(fù)極的部位會溶解，鋰枝晶脫離電極，成為失去電化學(xué)活性的“死鋰”，此時電池容量降低，電池充電變得頻繁[8-9]。如圖1所示，負(fù)極表面的鋰枝晶生長得又粗又長，刺破了絕緣SEI膜，連于正極，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路。如果負(fù)極表面的鋰枝晶生長得很小且底部與負(fù)極脫離，或是大型鋰枝晶頂部出現(xiàn)鹿角狀小枝晶且斷裂，在這兩種狀態(tài)下，游離的鋰枝晶透過SEI膜進(jìn)入電解質(zhì)中，會導(dǎo)致電池內(nèi)部短路。頻繁充電也會導(dǎo)致鋰枝晶刺破電池SEI膜，使電池內(nèi)部短路。針對鋰枝晶問題，目前沒有徹底的解決方案，主要以預(yù)防為主，盡量避免動力電池?zé)崾Э匾鹱匀肌?/p>

圖1 電子顯微鏡下的鋰枝晶及內(nèi)部短路

3 動力電池管理系統(tǒng)

BMS（Battery Management System，動力電池管理系統(tǒng)）主要監(jiān)測電池外部溫度，對于電池內(nèi)部細(xì)微變化很難提前發(fā)現(xiàn)。BMS負(fù)責(zé)監(jiān)測整個電池組，包括電壓、電流、電池的溫度，防止過充或過放，確保電池組健康運行。隨著運行時間增加，動力電池內(nèi)部會發(fā)生老化，出現(xiàn)容量衰減，通常用SOH（State of Health，衰減狀態(tài)）指標(biāo)進(jìn)行衡量[10]，如式（1）所示。

另外，BMS負(fù)責(zé)監(jiān)測動力電池中每一顆電池的容量，即SOC（State of Charge，荷電狀態(tài)）[11]，如式（2）所示。

SOH和SOC可以有效反映出動力電池的電量和健康狀態(tài)，二者主要受環(huán)境溫度、充放電倍率和放電深度等多個因素影響，這使得精確估算SOH和SOC值變得不容易，而充電倍率和放電深度由BMS依據(jù)電池溫度、SOH、SOC等確定[12]，BMS是動力電池安全運行的保障，合理優(yōu)化BMS可以減少或避免動力電池在使用中出現(xiàn)熱失效。

4 電池充放電

動力電池充放電會使鋰離子快速移動，過大的充電電流使鋰離子快速脫離晶格，會對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成沖擊，鋰離子快速嵌入陽極，但擴(kuò)散速率低，使鋰單質(zhì)在陽極表面沉積；過大的放電電流使大量鋰離子短時間通過SEI膜，可能造成膜層結(jié)構(gòu)大規(guī)模破損[13]；所以過大的電流會加速電池老化。

理想的鋰電池充電過程為“涓流充電—恒流充電—恒壓充電—涓流充電—充滿”，其中SOC從約80%到100%（報滿電流）使用恒壓充電，此時充電速度較慢。當(dāng)采用恒流充電時電流非常大，會產(chǎn)生大量熱量，這些熱量多數(shù)來自內(nèi)阻焦耳熱和電池化學(xué)反應(yīng)生熱。鋰電池首次充電時會形成SEI膜，消耗掉大量來自電極材料的鋰離子，雖然可以降低內(nèi)部短路風(fēng)險和防止溶劑分子共嵌入以及提升循環(huán)壽命，但也降低了電池總?cè)萘俊?/p>

4.1 電池快速充電

動力電池頻繁快充會增加自燃風(fēng)險?？斐鋾r強(qiáng)行使鋰離子快速從正極嵌出并嵌入負(fù)極，增大鋰離子的流量與速度；快充也會影響SEI穩(wěn)定性，使短時間內(nèi)產(chǎn)生較大不均勻熱量?？斐鋾谝欢ǔ潭壬辖档蛶靷愋剩捶烹娦剩▽τ谡龢O是指放電容量/充電容量，即嵌鋰容量/脫鋰容量）。有些電池首次放電的庫倫效率會高于100%，但隨著SEI膜形成和循環(huán)增加，庫倫效率會逐漸降低，活性越來越弱。大電流快充時，可能引起電極處濃差極化，局部過熱，電極材料被破壞，鋰枝晶快速產(chǎn)生，從而產(chǎn)生短路風(fēng)險。建議減少大電流快充次數(shù)。

4.2 電池過充電

鋰電池過充電會引起熱失控，即電池已充滿電但仍持續(xù)充電會使電池過熱，導(dǎo)致正極活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆變化，并使電解液產(chǎn)生分解，同時生成大量氣體、放出大量熱；另外，鋰離子堆積負(fù)極表面形成金屬鋰，生成樹枝狀結(jié)晶，會穿破隔膜使正負(fù)極短路引發(fā)電池?zé)崾Э豙14]。圖3為鋰電池電壓、溫度與電量間關(guān)系，當(dāng)過度充電時，正極中鋰離子過度脫出晶格，使正極晶格結(jié)構(gòu)塌陷并析出氧氣，并進(jìn)一步促使電解質(zhì)分解，使電池內(nèi)部壓力增加，電池過充的后果輕則鼓包漏液，重則短路熱失控，甚至發(fā)生爆炸；當(dāng)電池充電容量達(dá)到90%時，可通過軟件鎖定充電上限，避免達(dá)到電壓最大值max，否則電池內(nèi)部溫度急速升高，可能誘發(fā)電池?zé)崾Э亍?/p>

圖2 鋰電池電壓、溫度與電量關(guān)系

5 溫度的影響

5.1 低溫影響

低溫環(huán)境下電池正負(fù)極材料的活性降低，內(nèi)部運動的鋰離子數(shù)量下降，帶電離子擴(kuò)散運動能力變差，電能傳遞速度降低，電池充放電性能下降。隨著溫度降低，電解液導(dǎo)電能力下降，當(dāng)電池充放電時，內(nèi)部產(chǎn)生阻力即內(nèi)阻。正常使用中，電池內(nèi)阻增大會產(chǎn)生大量焦耳熱引起電池溫度升高，試驗表明：環(huán)境溫度在0 ℃以下時，溫度每下降10 ℃，內(nèi)阻約增大15%。圖4為某電動汽車動力電池在不同溫度下的電壓與SOC關(guān)系，極端低溫－30 ℃與超低溫－20 ℃下的放電曲線均非常陡峭，－30 ℃下只有20%～60% SOC可用，－20 ℃下只有15%～80% SOC可用，并且電壓變化范圍很大[15]。低溫充電過程中，電池負(fù)極的電化學(xué)極化加劇，析出的金屬鋰容易形成鋰枝晶，穿破隔膜使正負(fù)極短路。

圖3 不同溫度下電壓- SOC關(guān)系

5.2 高溫影響

動力電池的正常工作溫度為20～50 ℃。當(dāng)溫度超過60 ℃時，過熱的環(huán)境會使電池正極材料發(fā)生分解，其中磷酸鐵鋰電池稍優(yōu)于三元鋰電池。正極溶解會造成材料結(jié)構(gòu)變化和晶格破壞，一方面導(dǎo)致高電壓區(qū)充電容量減小，另一方面造成活性物質(zhì)間接觸阻抗增大，鋰離子遷移速率降低，最終使電池失效[16]。在環(huán)境溫度35 ℃以上使用電動汽車，如果長時間深踩電門或極高速行駛，此時電池進(jìn)行大電流放電，會產(chǎn)生大量熱量并被限制在高壓電池包中，如果不及時進(jìn)行冷卻降溫，則有可能造成熱失控。

6 外部機(jī)械碰撞的影響

電動汽車受到外部機(jī)械碰撞可能引發(fā)電池破碎或者電解質(zhì)泄漏，電池自身的電火花或者高壓部分破損引起的電弧可以點燃泄漏的可燃性電解液或者其他物質(zhì)從而引發(fā)車輛自燃。此外，電池受到擠壓變形，可能會形成電池短路和發(fā)熱。

碰撞后，鋰電池的損傷分為“外傷”和“內(nèi)傷”?！巴鈧笔侵鸽姵乜赡軙扑楹统霈F(xiàn)電解液泄漏，存在電池被點燃的風(fēng)險；“內(nèi)傷”是指電池內(nèi)部可能出現(xiàn)電極破碎，碎片刺穿隔膜等情況，此時電池可能沒有明顯特征，但后續(xù)使用中可能成為電池?zé)崾Э氐恼T因。

電動汽車行駛中會出現(xiàn)路面不平引發(fā)的顛簸，可能導(dǎo)致電池連接組件出現(xiàn)松動，造成機(jī)械濫用從而觸發(fā)電池短路，導(dǎo)致電池接觸內(nèi)阻增加，若未及時排除故障，可能引發(fā)電池局部高溫，使單體內(nèi)部發(fā)生副反應(yīng)，出現(xiàn)活性物質(zhì)不可逆反應(yīng)；若累積熱量無法有效擴(kuò)散，會使電池內(nèi)隔膜熔融，發(fā)生電解液分解引起電池?zé)崾Э?，?dǎo)致自燃事故。

7 電動汽車的正確使用

7.1 減少長時間停放

電動汽車的長時間停放會降低電池使用壽命。當(dāng)動力電池長期處于無電量或低電量狀態(tài)時，鋰電池內(nèi)部電子移動阻力增加，電池容量減??；當(dāng)電池長期處于滿電狀態(tài)，大量鋰離子插入負(fù)極石墨這個不穩(wěn)定載體上，此時鋰離子更容易脫落游離到電解液中，使電池容量降低。電動汽車長時間停放，電池SOC長期過低靜置，電池活性物質(zhì)含量降低，一旦電池重新啟用，必須涓流充電喚醒，這會引起鋰枝晶生長，降低電池使用壽命。通常，維持40％～80％電量最有利于保護(hù)電池，此時電池使用壽命最長。

7.2 減少快充次數(shù)

過高的充電電壓或電流都會降低鋰離子電池電極材料和電解液的穩(wěn)定性，引起電池內(nèi)部副反應(yīng)增加，并在負(fù)極表面出現(xiàn)析鋰，導(dǎo)致電池?zé)崾Э?。過充電與過放電對電池健康的損害最大，為了防止過充電，可以限定SOC最高值低于100%（通常安全狀態(tài)不超過90%）；充電過程中隨著SOC值升高，電池可以承受的充電倍率在降低，當(dāng)SOC達(dá)到80%左右可以降低充電倍率，以免損傷電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為了防止過放電，盡量每次不使電池電量用盡。

使用正規(guī)廠家的充電樁產(chǎn)品，保持充電電壓、電流穩(wěn)定。淺充淺放可以大幅提升電池循環(huán)次數(shù)，延長電池使用壽命。盡量避免長時間在高位SOC值進(jìn)行涓流充電。除磷酸鐵鋰電池外，多數(shù)鋰電池不宜過放電，放電深度越接近0%，對電池的損害越大。

7.3 避免碰撞事故

由于動力電池包的存在，電動汽車碰撞后自燃風(fēng)險增大，所以電池包內(nèi)部傳遞結(jié)構(gòu)的設(shè)計非常重要，同時需要保證電池包外部具備抗形變結(jié)構(gòu)，利用邊框進(jìn)行吸能，確保內(nèi)部電池安全。

電動汽車發(fā)生碰撞時，首先須將車內(nèi)人員撤離，而不是先對車輛進(jìn)行處理，車輛出現(xiàn)自燃前兆，包括動力電池產(chǎn)生大量有毒濃煙，并伴隨起火和爆炸，整個過程時間非常短；另外，碰撞后的動力電池可能處于通電狀態(tài)，如果高壓電漏電非常危險，駕駛電動汽車應(yīng)盡量避免或減少碰撞事故。

8 結(jié)束語

本文對電動汽車動力電池?zé)崾Э匾l(fā)自燃事故進(jìn)行系統(tǒng)分析，提出了如下使用建議：

（1）在各種工況下合理使用電動汽車能夠有效延緩或抑制動力電池內(nèi)鋰枝晶生長，避免鋰枝晶刺破SEI膜導(dǎo)致內(nèi)部短路；

（2）對電動汽車合理充放電，減少高電壓快充次數(shù)，避免外部誘因引起電池?zé)崾Э兀?/p>

（3）嚴(yán)格遵守交通規(guī)則，盡量減少急加速和超高速駕駛等操作，避免碰撞事故引發(fā)電動汽車自燃。

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江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院課題（JYA320-05）。

2022-09-14

1002-4581（2023）01-0018-05

U469.72+2.03

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2023.01.005