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锂离子电池频繁起火的真相

2019-07-18 00:37:46·  来源:产品安全与召回  
 
近日,由国家市场监管总局质量发展局和中国汽车工程学会共同主办的新能源汽车安全与召回主题峰会在博鳌召开。会议期间,就锂离子电池安全问题,清华大学教授邱新
近日,由国家市场监管总局质量发展局和中国汽车工程学会共同主办的“新能源汽车安全与召回”主题峰会在博鳌召开。会议期间,就锂离子电池安全问题,清华大学教授邱新平接受了《产品安全与召回》的专访。

邱新平

锂离子电池于1990年研发成功,由于能量密度高,最初在摄像机上应用,后逐步扩大到笔记本电脑、手机、电动汽车及储能系统中。在这个过程中,多起不同程度的安全性事故接连发生。

锂离子电池安全问题为何频发
 
据不完全统计,2018年我国发生电动汽车起火事件40余起,包括多个品牌的乘用车和动力电池。2019年以来,尤其是进入四五月份,特斯拉、蔚来等车企发生多起起火事件,导致新能源汽车及动力电池安全备受质疑。

邱新平告诉《产品安全与召回》,这是由锂离子电池本身的特征来决定的。与其他体系的电池相比,比如铅酸电池、镍铝电池等,锂离子电池创新地采用了一些新的反应方式。主要表现在以下两个方面:

首先,锂离子电池正极和负极采用了嵌入反应方式,与普通的化学反应如铅酸电池中铅变硫酸铅的反应不一样,嵌入反应过程中材料表面也就是界面的结构比较稳定,因此保证了锂离子电池的长寿命系统。

其次,锂离子电池具有高能量密度的特性,高能量密度主要得益于两方面:一是高容量电极材料的使用;二是宽的电化学窗口电解质的使用(这里所指的主要是非水溶液体系电解质或者固体电解质),使得电池的电压大幅度提高。

“现在的锂离子电池平均电压可以到3.7V以上,最高电压可以达到4.4V以上。这样的设计,与普通的水溶液电解质相比,锂离子电池中没有钳制反应。”邱新平指出,比如说,如果铅酸电池过充电,过充电以后多余的电可以把水分解,分解完之后,再用氢氧复合基质把多余的电能变成热能释放出来,“锂离子电池并没有这个机制,所以一旦过充电,就会带来很多安全问题。”

热失控是电池正极跟电解质的燃烧反应

邱新平指出,锂离子电池的特性决定了发展电动汽车要格外关注锂离子电池的安全性问题。业内在剖析电动汽车起火原因时,热失控被频繁提及。

究竟什么是热失控?

据邱新平解释,当电池的温度达到某一温度时,电池内部会发生剧烈的反应,产生大量的热,这种情况已经无法人为管控,就跟原子弹一样,到了某个极限就马上爆炸,业内把这种反应称为热失控反应。

从原理上看,锂离子电池热失控的过程,主要是正极跟电解质的燃烧反应。“我们实验室拿钴酸锂做了一个简单的热力学计算发现,随着钴酸锂材料中的锂被不断地提取出来,也就是电池合成SOC的增加,钴酸锂分解的温度会不断地下降,自身就会发生析氧。而这种氧不会形成氧气,而是活泼的氧,这种活泼的氧会与电解质中的有机溶剂反应,从而产生大量的热,并且这个反应速度非常快,导致热失控。”邱新平进一步补充道。

引发热失控的原因有两类

电池产热是电池工作过程中的必然产物,如果电池的热释放即热扩散速度比产热速度要快,电池温度就不会上升,不会达到热失控温度。但往往有些时候,电池的散热性并不是很好。


邱新平将引起热失控的原因分为两类。

第一类是电池外部因素。如果电池所处的环境温度过高,电池散热不好,或者内部卷得不好,导致电池散热不通畅。此外,还有一种情况需要企业特别注意,就是电池脊柱有时候能把热引进去,电池的金属脊柱有铜的,有铝的,导热性都比较好,“电路中有某些高热源的元器件,一定要离电池脊柱远一些,让热量充分发挥。”邱新平补充。

第二类是电池内部因素。一是微短路,微短路有两种情况,一种是电池工艺中的短路,包括毛刺;另一种是使用过程中的短路,这些都会引起微短路,导致电池局部温度高于热失控温度,从而产生热失控现象。

二是电池过充电,过充以后会降低材料的热失控温度。“像电池在使用中后期的容量已经衰减了,这时候电池本身就已经处于过充状态,热失控温度自然会下降。”邱新平指出。

三是电解质用量,如果用量过多,爆炸的危害性会很大,火焰喷得很高很远,所以要严格控制电解质用量。

预防热失控要控制电池温度

截至目前,电动汽车起火事故仍是少数,为何有的电动汽车安全运行,有的却危及驾乘人员安全?

邱新平告诉《产品安全与召回》,触发热失控的温度与电极材料的种类、电解质的种类、电池的荷电状态等等都有很大关系。

“比如,我们做三元材料热失控反应试验发现,当荷电状态60%的时候不会发生热失控反应;当荷电状态达到80%以上,包括100%时,这种热失控反应会很快发生,在温度比较低比如190度的情况下就可以发生;如果发生过充,荷电状态达到120%时,热失控会更容易发生。”

预防热失控的核心在于把电池的温度控制在触发温度以下。“这里所指的温度,不止是电池的整体,包括局部地方,甚至某一个小点,所有地方都不能产生温度过高的问题。比如短路导致某个非常小的地方温度局部过高,也会引起热失控反应。”邱新平强调。

电池的一致性决定电池组的安全性


截至2019年6月,我国新能源汽车保有量达344万辆。尽管起火数量仍是少数,引发的安全危机却对产业健康可持续发展产生巨大影响。

邱新平认为,在电池使用过程中,电池的一致性决定了电池组的安全性。

锂离子电池由于没有前置性反应,在组合过程中,选电池必须要一致性。举例而言,电池组合串联以后,一个电流通过三个电池,必须保证每个电池都一样,通过的电流大小或容量都一样。“如果一个电池已经充满了,再充就是过充;或者放电时,如果一个电池已经到了放电下限,再放电电池就过放了。这样就会引起电池性能的偏差,容易引发热失控。”邱新平表示,电池一致性偏差越大,未来电池组的安全性就会越差。

应加强对电池生命中后期的数据积累

目前业内包括车企对新的锂离子电池,即刚出厂的电池的安全性认识得很清楚,积累做了大量的数据,也通过了各种各样的标准测试。

邱新平告诉《产品安全与召回》:“目前我们面临这样一个问题,包括最近国内出现的这些烧车事故,都跟电池到了生命的中后期有关,问题在于,我们现在对电池生命中后期反应并没有太多的数据积累。”

“我们实验室花了三年时间做电池循环测试,三年时间里在同样一个温度下循环,我们发现循环了3000次以后,电池的内阻变化很大,一百个电池之间可能相差很多,容量也变化很大。”

如果这种变化出现在成组的电池上,热失控在所难免。“所以到目前为止,我个人的观点就是,需要加强对电池生命中后期的数据积累。安全本身不是一个从技术上或者从原理上不能克服的事情,安全是一个工程技术问题,只要有大量的基础数据积累,我们的工程技术人员就可以很好地开展工作。”邱新平强调。

电池安全防范七点建议

锂离子电池安全如何防范?邱新平提出以下建议:

首先,开发出好的正极材料,提高其热失控温度,每提高10度,就能大大减少热失控发生的几率。

第二,设计合理的结构,电池的散热要好。

第三,保证电池一致性,加大使用过程中环境的控制等。

第四,开发出更加稳定的电极材料,电解质材料,这是真正解决锂离子电池安全的根本。目前,这方面无论是国际还是国内都有一些很好的技术方案在运行。

第五,要加强电池散热以及热管理范围的研究。有些企业可能怕热传递而做隔热,隔热过程中还有一个散热问题。

第六,减少生产过程的电池内部缺陷,以减少电池发生安全事故的几率。

“最后,要加强电子寿命中后期的电池管理和特性认识,解决电池在使用过程中产生的离散性大问题。如果这个问题解决了,会提高整组的总体安全性。”邱新平说道。
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