鋰電池熱失控過程講解

鋰電池熱失控過程講解

中國電源 發表於 2020-06-05 14:00:23

1、試驗樣品和針刺試驗介紹 即將應用在比亞迪漢車型上的刀片型磷酸鐵鋰電池（下稱「刀片電池」），通過無模組電池成組方式，提升了電池包的整體能量密度，進一步延長了車輛續航裡程，在續航裡程上追近了採用三元鋰離子電池的主流車型。加上目前基於磷酸鐵鋰電池的刀片電池在安全性和抗容量衰減特性上相比三元鋰離子電池更有優勢，使其重新獲得乘用車消費者的關注。最近比亞迪電池實驗室對刀片電池進行了嚴酷的針刺試驗，作為對比，現場也對普通磷酸鐵鋰和三元鋰離子電池樣品進行了同樣的試驗。下面就讓我們來看看這三種電池被鋼針刺穿後會發生什麼？熱失控與針刺試驗雖然美國國家公路交通安全管理局研究認為，電動汽車起火概率要低於柴油和汽油發動機車輛，我國消防應急管理部門也表達了類似觀點，但每每出現純電動車自燃的新聞時卻總是能博取到人們的關注。根據新能源汽車國家大數據聯盟數據顯示，去年5月以來出現事故的車輛，以2018年生產的車為主。其中，事故車輛86%為三元鋰離子電池，7%為磷酸鐵鋰電池，7%不確定。而與電池相關的自燃事故大多與電芯熱失控密切相關。那麼什麼是熱失控呢？電池的熱失控是指電池內部化學反應的產熱速率遠高於散熱速率，大量熱量在電池內部積累導致電池溫度急速上升，最終引起電池起火或爆炸。

最新的強制性國標相較於2015版本有明顯的變化，除了對2015版國標的已有項目進行修訂外，還取消了模組級別安全試驗、電芯針刺試驗、電芯跌落試驗、電芯低氣壓試驗、電芯海水浸泡試驗、電池包跌落試驗以及電池包翻轉試驗，增加了電池包的熱擴散試驗和過流保護試驗。在執行層面，由於新國標尚未正式推行，目前企業可以選擇性執行新國標規定的過充和熱擴散試驗，2015版國標強制要求的針刺試驗現在也作為可選項目由企業選擇性執行。● 試驗樣品有哪些？此次針刺試驗除了有比亞迪最新的刀片電池外，作為對比，我們也找來普通磷酸鐵鋰電池、NCM622三元鋰離子電池（正極材料中的鎳鈷錳三種成分的比例為62）進行試驗。我們要看看這三種電池在嚴酷的針刺試驗下，都有怎樣的表現。此次針刺試驗的電池樣品都是比亞迪生產的車用動力電池電芯，電芯單體容量都在100Ah以上。從上圖可以看出，普通磷酸鐵鋰電池和NCM622三元鋰離子電池在外形和結構設計上沒有太大的區別；刀片電池則與上述兩者區別明顯，其正負極分別布置在電池長度方向的兩端。● 刀片電池是什麼黑科技？既然今天針刺試驗的主角是刀片電池，首先我們就要對它有個大致的了解，到底比亞迪的刀片電池是一樣怎麼樣的東西？它在技術上有怎樣的先進性呢？

根據此前公布的消息，漢純電動版車型將會搭載重量為549kg、容量為77kWh的電池包。按照刀片電池單體參數來簡單推算一下，該電池包內將集成超過200個刀片電池單體。

比亞迪通過CTP設計把電池包殼體內部的空間利用率由傳統設計方式的40-50%提升至60-80%。設計的更新換代帶來的直接好處就是在採用原有磷酸鐵鋰電池技術的前提下較大地提升純電動車的續航裡程。上面對刀片電池進行了簡單的科普，更詳細的技術解析可參看下面這篇文章的相關介紹。● 針刺實驗是怎麼做的？按照GB/T 31485-2015的針刺試驗方法，將電池充滿電，用直徑為5-8mm的耐高溫鋼針（此次試驗採用5mm直徑的鋼針），以（25±5）mm/s的速度，從垂直於電池極板的方向貫穿，貫穿位置宜靠近所刺面的幾何中心，鋼針停留在電池中，觀察1小時，不起火、不爆炸才算合格。

單個電池熱失控時，其外殼溫度越高，電池間的熱擴散會越迅速，這意味著臨近的電池也會更快地升溫而相繼觸發熱失控，導致電池包的安全係數下降。實驗中的雞蛋如果很快地被煎熟，說明電池在受到針刺時出現明顯的熱失控導致電池溫度急劇上升。2、試驗結果解析● 實驗結果到底咋樣？此次針刺試驗是在比亞迪的電池實驗室內進行的，由於實驗室保密和安全原因，我們不能拍攝電池針刺的過程，所以通過官方採用實驗室專用的監控攝像頭拍攝的視頻進行講解。◆ 三元鋰離子電池首先，我們要做的是NCM622三元鋰離子電池的針刺試驗，這相信也是各位觀眾老爺們最為關心的環節，因為目前國內很大一部分純電動車採用的就是三元鋰離子電池。對三元鋰離子電池有一定了解的朋友應該會知道，車用的三元鋰離子電池是比較難通過針刺試驗的，只要針刺觸發了內部短路，電池便會馬上發生熱失控，下面我們用試驗來看看三元鋰離子電池在針刺試驗中究竟會有怎樣的反應？

從實驗現象我們可以了解到，當鋼針刺穿電池導致三元鋰離子電池內部短路後，極高的升溫速率會使三元正極材料快速達到200攝氏度左右的分解溫度，三元正極材料高速分解產生大量的游離態氧，這些游離態氧會進一步增加各種化學反應的產熱量，提高電池內部升溫速率，同時也使電池內部壓力迅速上升。迅速攀升的電池內部壓力很快推開了洩壓閥，內部高壓電解液噴薄而出，外部空氣此時進入到電池內部，新鮮的空氣+極高的溫度+殘留在電池內部的可燃電解液，爆炸起火便一觸即發。◆ 普通磷酸鐵鋰電池接下來我們換普通磷酸鐵鋰電池上場。鋼針從電池中央穿透其內部極板。在鋼針穿透電池後，電池電壓開始下降，電池外殼有一定程度的鼓脹，顯示內部短路導致電池內部壓力迅速上升，隨後洩壓閥打開，電池內部高壓電解液噴出，之後電壓迅速下降的同時，電池外殼溫度迅速攀升，最高達到239攝氏度。隨著電池內容物通過洩壓閥悉數噴出，電池外殼溫度開始慢慢回落直至觀察期結束。打在穿孔位置附近的雞蛋已被高溫殼體煎熟了，表明試驗過程中電池外殼溫度較高。

磷酸鐵鋰電池熱失控反應之所以沒有三元鋰離子電池劇烈，主要是因為其正極材料分解溫度在500攝氏度以上，熱失控溫度相比三元鋰離子電池更高，其熱失控風險相對較低。此外，磷酸鐵鋰電池正極分解（觸發熱失控的一個主因）時產生的氧氣量較少，限制了電池內部壓力增加（限制了電池外殼鼓漲）及溫度升高，這一方面能夠避免電池內部壓力過大發生爆炸，另一方面也一定程度地限制了易燃電解液發生燃燒的可能性。磷酸鐵鋰在熱失控測試中，其升溫速率相比三元鋰離子電池要低得多，這也是其安全係數較高的重要特性之一。

從實驗現象我們可以看出，利用針刺來觸發普通磷酸鐵鋰電池內部短路會導致其發生熱失控。普通磷酸鐵鋰電池熱失控後會導致電池內部溫度和壓力迅速上升，導致電池外殼產生一定程度鼓脹並觸發洩壓閥打開（洩壓閥開啟時伴隨著一定的聲響，但這並非爆炸）。雖然視頻的效果看上去很驚險，但在整個試驗過程中，電池沒有發生起火和爆炸，安全性還是值得肯定的。值得一提的是，洩壓閥是一種熱失控保護措施，它在本次試驗中熱失控發生時適時打開，證明這種措施是行之有效的。◆ 刀片電池我們最後測試的是刀片電池。鋼針從刀片電池中央穿透其極板後，電池電壓下降和表面溫度上升都非常輕微，穿刺位置沒有火花、煙霧或電解液噴出，電池殼體也沒有出現鼓脹。穿刺後的一小時內，被穿刺刀片電池的電壓和表面溫度都非常穩定，打在穿孔位置附近的雞蛋沒有任何要被煎熟的趨勢。

看到這裡，可能有些買了搭載三元鋰離子電池純電動車的朋友開始坐不住了，是不是要換一臺搭載磷酸鐵鋰電池的車型更安全呢？且慢，上述試驗是電池單體的零部件安全試驗，雖然三元鋰離子電池單體安全係數較低，但通過電池包結構設計優化以及電池管理系統的嚴格監控，是能夠提升該類型電池在電池包級別的安全係數的，請各位繼續往下看。● 如何保證搭載三元鋰離子電池車輛的使用安全從車輛使用安全的角度出發，新國標新增了熱擴散試驗，要求電池包或電池單體發生熱失控引起熱擴散，進而導致乘員艙發生危險之前5分鐘，為乘員提供一個預先警告信號，提醒乘員疏散。熱擴散試驗的目的就是為了提升電動車在使用層面的安全性，保證使用者的人身安全。

有朋友會問，都熱失控了才報警，這還來得及嗎？要回答這個問題，我們就要先來了解一下電池包的結構。電動車電池包內部是有數十到數千個不等的電池單體組成的，其中一個電池單體發生熱失控一般是不會立即觸發臨近電池單體的熱失控。所以電池包要真的燃燒起來，達到損害人身安全的程度，其實是有一個過程的。三元鋰離子電池雖然熱失控安全係數相對較低，但是通過電池單體洩壓閥設計，在電池單體間增加隔熱絕緣材料是能夠有效阻止熱擴散，可減慢或者避免其他電池單體發生熱失控，延長乘員逃生時間的。

由於針刺並非常規的電池失效模式，電動車在日常使用中，其電池包或電池單體極難遇到被針刺的情況。而在嚴重碰撞事故中導致電池單體變形從而引發熱失控則是較為常見的失效模式，通過加強電池包及周邊保護結構的強度，能夠較好地避免電池單體因受壓變形而觸發熱失控。

總而言之，搭載在目前量產車型上的三元鋰離子電池雖然其單體安全係數較低，但通過電池包和電池管理系統的優化設計是能夠提升這種電池技術在使用層面上的安全性的，目前國標的基礎要求還是比較嚴格的，所以消費者無需談三元鋰離子電池色變。

就目前國內的技術水平來看，安全指標一定程度限制了三元鋰離子電池包整體能量密度的進一步提升，而較低的單體能量密度則限制著磷酸鐵鋰電池或刀片電池包整體能量密度的提升。相比起來，磷酸鐵鋰電池或刀片電池包在未來幾年通過電池技術優化以及採用無模組電池包設計優化，電池包整體能量密度的提升空間較大，或能追平受到安全指標制約的三元鋰離子電池包。

編輯總結：三元鋰離子電池單體的熱失控安全係數較低，但通過加強電池包殼體的強度，完善電池管理系統對熱失控的檢測和提前預警機制，利用隔熱絕緣材料降低熱擴散速率等都能有效地增強電池包的整體安全係數，以滿足國標對車用動力電池的安全性要求，提升其使用層面的安全性。磷酸鐵鋰電池/刀片電池能量密度相對較低，但其熱失控安全係數比三元鋰離子電池高不少，這有利於使用無模組設計來進一步提升電池包整體能量密度，增加電動車的續航裡程，從而在安全性和續航上實現更好的平衡。
       責任編輯:pj

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