動力電池安全事故原因分析

• 陳博 2023年10月20日 來源：中研網(wǎng) 1067 68
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從觸發(fā)機制上看，內(nèi)部短路有三類不同的類型，第一類是自引發(fā)內(nèi)短路，第二類是由于過充電/過放電引發(fā)的內(nèi)短路，第三類則是由于機械破壞引發(fā)的內(nèi)短路。自引發(fā)內(nèi)短路潛伏性強、作用時間長。自引發(fā)內(nèi)短路主要是由于電池內(nèi)部原因所導(dǎo)致，包括正極材料摻雜，隔膜材質(zhì)不佳，銅

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電動汽車起火事故具有易觸發(fā)、多誘因、潛伏性強的特點，不經(jīng)意的小事件可能引發(fā)慘重的后果，起火過程有時是迅速的，也可能會在誘因發(fā)生的數(shù)個小時之后才突然起火。

鋰離子電池從其自身的化學(xué)特性和體系組成上，決定了其是一種具有潛在危險的化學(xué)電源。電動汽車起火事故最主要的三大起因是電池的自燃、充電和汽車碰撞，而這些起因所對應(yīng)的內(nèi)部機理是電池的內(nèi)部短路、外部短路與過充電等故障及其進一步引發(fā)的熱失控。熱失控的觸發(fā)誘因復(fù)雜，已有許多學(xué)者開展了相關(guān)研究，但目前其機理仍未徹底明晰。

現(xiàn)有文獻普遍認(rèn)為引發(fā)電池?zé)崾Э氐闹饕收闲问礁爬樗念悾矗簝?nèi)部短路、外部短路、過充電與過放電。其中，內(nèi)部短路引起了電池的自燃，充電時電池起火的原因主要是過充電，而持續(xù)的過充電或過放電會引起電池的內(nèi)部短路，汽車碰撞中起火事故同時對應(yīng)著電池的內(nèi)部、外部短路，而設(shè)備、線纜的老化、電池箱浸水等引發(fā)起火的本質(zhì)則是外部短路。電池的內(nèi)部短路、外部短路和過充電都會大量產(chǎn)熱導(dǎo)致電池?zé)崾Э?、引發(fā)火災(zāi)。

事故濫用一般分為機械濫用、電濫用和熱濫用三類?？勺匪莸臋C械濫用和電濫用情形較多，熱濫用直接引發(fā)熱失控，事故中伴隨有冒煙、起火和爆炸。

從電池失效的機理來看，深層次地科學(xué)問題是電化學(xué)動力系統(tǒng)的失效。電化學(xué)濫用是濫用機理層面的問題，需要加以重視。對電化學(xué)濫用機理的深入認(rèn)識，有助于1)對已發(fā)事故現(xiàn)象的合理解釋;2)提高測試評價標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)威性和預(yù)見性。

在電池失控的主要觸發(fā)條件當(dāng)中，短路占絕大多數(shù)(>90%);隨著電池比能量的提升，以及對材料利用效率的壓榨，析鋰問題逐漸顯現(xiàn);高鎳正極可能降低高溫釋放活性氧的溫度，不過目前還未見事故報道。

1、內(nèi)部短路故障機理

從觸發(fā)機制上看，內(nèi)部短路有三類不同的類型，第一類是自引發(fā)內(nèi)短路，第二類是由于過充電/過放電引發(fā)的內(nèi)短路，第三類則是由于機械破壞引發(fā)的內(nèi)短路。自引發(fā)內(nèi)短路潛伏性強、作用時間長。自引發(fā)內(nèi)短路主要是由于電池內(nèi)部原因所導(dǎo)致，包括正極材料摻雜，隔膜材質(zhì)不佳，銅箔鋁箔分切毛刺，疊片、卷繞錯位，以及電解液浸潤不均等。自引發(fā)內(nèi)短路潛伏性強、作用時間長;過充電/過放電時會在電極形成許多針狀晶枝，這些針狀晶枝會刺破電池隔膜，造成多個微小的短路回路，并持續(xù)放熱，需要注意的是，過充引發(fā)的內(nèi)短路也并不一定立刻觸發(fā)熱失控，有可能這個過程的溫升還不足以達到熱失控臨界閾值，在車輛駛離充電站之后，由于內(nèi)短路的持續(xù)運作，電池溫度繼續(xù)攀升而達到失控溫度引發(fā)車輛起火。機械破壞引發(fā)內(nèi)短路是汽車碰撞時電池被擠壓/穿刺而引發(fā)，這類情況難以預(yù)測，只能通過恰當(dāng)?shù)膽?yīng)對措施來降低危害。

2、過充電故障機理

關(guān)于電池過充電的故障機理目前已有較為成熟的研究，當(dāng)電池發(fā)生過充電時，由于負極的儲存格已裝滿，后續(xù)的鋰離子會堆積于負極材料表面形成金屬鋰，并由負極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結(jié)晶，形成的金屬鋰結(jié)晶會穿破隔膜使正負極短路從而引發(fā)短路。實際情況下，車載電池管理系統(tǒng)(Battery management system,BMS)會對電池過充電進行有效監(jiān)管，然而電池組是由諸多單體電池組合而成，由于各電池單體之間存在不一致性，因此雖然整個電池組狀態(tài)完好，但難以避免某單一個體發(fā)生過充，另一方面，不恰當(dāng)?shù)某潆姺绞揭苍黾恿诉^充的可能性，過大的充電電流、極片涂層分布不均等現(xiàn)象也可能會引起局部過充電。

3、過放電故障機理

電池發(fā)生過放電時首要的表現(xiàn)是活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞，將對鋰電池的正負極造成永久的損壞。從分子層面看，過放電導(dǎo)致負極碳過度釋放出鋰離子而使得其片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，最直觀的損傷效果是嚴(yán)重影響電池的循環(huán)壽命。但是持續(xù)的過放電過程會導(dǎo)致電池負極電位不斷升高，當(dāng)負極電位達到銅箔集流體溶解電位時，發(fā)生銅箔溶解的電化學(xué)反應(yīng)，溶解的銅離子穿過隔膜到達電池正極，在低電勢區(qū)域被還原為金屬銅，逐漸沉積的金屬銅從正極方向生長并最終穿過隔膜、引發(fā)電池內(nèi)部短路。

4、外部短路故障機理

電池外部短路時電池會產(chǎn)生很大的電流，大量的歐姆熱并使電池內(nèi)部及表面連接處急速升溫，如果防護器件未能切斷會亂，電池內(nèi)部會很快升溫造成電解液汽化，可能會造成電池鼓包或者沖開泄氣閥，漏液并噴射出可燃氣體。外部短路可能會產(chǎn)生明火(電弧)，是非常危險的故障形式。盡管外部短路故障的觸發(fā)機理較為簡單，但是其復(fù)雜不確定性后果和影響不容忽視。尤其當(dāng)外部短路與其他故障并發(fā)時，當(dāng)電池發(fā)生外部短路時，很容易導(dǎo)致電池直接起火甚至爆炸。

5、熱失控觸發(fā)機理

根據(jù)現(xiàn)有文獻，當(dāng)電池溫度達到80～120℃時，覆蓋在電池負極表面的SEI膜發(fā)生分解，隨后負極活性物質(zhì)失去保護，嵌入負極的鋰金屬與電解液發(fā)生反應(yīng)。溫度繼續(xù)上升會引發(fā)電池多孔隔膜閉孔，常見的隔膜材料有聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)兩類，其隔膜閉孔的起始溫度約為130℃和170℃，隔膜閉孔會阻斷外部短路的電流回路，起到一定的自保護作用，但如果溫度繼續(xù)上升，隔膜會在190℃左右解體，引發(fā)內(nèi)部短路，釋放大量的電能使溫度迅速升高，進而引發(fā)正極分解與電解質(zhì)分解反應(yīng)，正極分解會釋放大量的熱量，被認(rèn)為是觸發(fā)熱失控的重要原因之一。需要注意的是，為理想加熱情況下的純理論結(jié)論，實際情況下由于存在電池短路所產(chǎn)生的歐姆熱以及復(fù)雜塑性破壞引發(fā)的不確定性因素，熱失控觸發(fā)過程會更為復(fù)雜。

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