汽车动力电池系统热失控引发的安全性问题剖析-九游会真人第一品牌

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汽车动力电池系统热失控引发的安全性问题剖析

目录:媒体报道星级:3星级人气:-发表时间:2017-04-01 13:44:00

电动汽车是新能源行业中发展最为迅速的新兴产业。然而以热失控为特征的锂离子电池系统的安全性事故时有发生,困扰着电动汽车的发展。本文跨越小编将探讨动力电池的安全性问题,为大家剖析动力电池因热失控所造成安全性事故的常见形式及成因。

动力电池安全性问题

锂离子动力电池事故主要表现为因热失控带来的起火燃烧。今年电动汽车因热失控发生的安全事故如图1、表1所示。

表-1  近年发生的锂离子动力电池事故

(图-1  近年发生的锂离子动力电池事故

(1)电池系统安全性的“演变”。即电池系统长期老化——“演化”(事故1、2、3、5、7)和突发事件造成电池系统损坏——“突变”(事故4、6)。

(2)“触发”——锂离子动力电池从正常工作到发生热失控与起火燃烧的转折点。

(3)“扩展”——热失控带来的向周围传播的次生危害。

锂离子动力电池系统安全性问题表现为3个层次(图2所示)。

图-2 动力电池系统安全性问题的层次

动力电池安全性演变机理

电池系统长期老化带来的可靠性降低,演化耗时长,可以通过检测电池系统的老化程度来评估电池系统安全性的变化;相比而言安全性突变难以预测,但是可以通过既有事故的形式来改进电池系统的设计。

电池系统任何部件的老化都可能带来安全事故的触发,如事故1、7。除此之外,电池本身的安全性演化主要表现为内短路的发展。电池内部的金属枝晶生长是造成内短路的主要原因之一。值得一提的是,老化电池的能量密度降低,热失控造成的危害可能会降低;另一方面老化电池更容易发生热失控。

(图3 锂离子电池内部金属枝晶的生长与隔膜的刺穿)

 

动力电池系统热失控机理

动力电池事故发生前必然要进入“触发”阶段。一般在这之后,电池内部的能量将会在瞬间集中释放造成热失控,引发冒烟、起火与爆炸等现象。当然电池安全事故中,也可能不发生热失控,热失控后的电池不一定会同时发生冒烟、起火与爆炸,也可能都不发生,这取决于电池材料发生热失控的机理。

 

图4、图5与表2展示了某款具有三元正极/pe基质的陶瓷隔膜/石墨负极的25 a·h锂离子动力电池的热失控机理。热失控过程分为了7个阶段。

图4 某款三元锂离子动力电池热失控实验数据(实验仪器为大型加速绝热量热仪,ev-arc)

图5 某款三元锂离子动力电池热失控不同阶段的机理

表-2 某款锂离子动力电池热失控的分阶段特征与机理

对于冒烟的情况,在阶段v,如果电池内部温度低于正极集流体铝箔的熔化温度660℃,电池正极涂层就不会随着反应产生的气体喷出,此时观察到的会是白烟;反之则是黑烟。

对于起火的情况,引燃的主要原因是喷出的气体温度高于其闪点,电解液气体与氧气剧烈反应。

对于爆炸的情况,必备的条件是电池内部具有高压气体积聚,安全阀则是及时释放高压积聚气体的关键。

 

动力电池热失控事故触发的分类

根据触发的特征,可以分为机械触发、电触发和热触发3类。

图6 事故触发的分类

热失控扩展的机理

热失控扩展过程中的热量传递有3条可能的主要路径:

(1)相邻电池壳体之间的导热;

(2)通过电池极柱的导热;

(3)单体电池起火对周围电池的炙烤。

图7 热失控扩展的几条可能路径

动力电池系统安全性问题主要分为3个层次,即“演变”、“触发”与“扩展”。从这三个层次出发,深入研究各个层次的热系统转化机理及其演变过程,提出有效的事故防范措施和安全性监控措施,是下一步动力电池模组研究的工作重点。

防范热失控扩展与电池系统设计的矛盾

导热性能是指导热材料传递热量的能力。不同物质导热系数各不相同,相同物质的导热性能与多种因素有关。例如:结构、密度、湿度、温度、压力等。同一物质的含水率低、温度较低时,导热系数较小。一般来说,固体的热导率比液体的大,而液体的又要比气体的大。这种差异很大程度上是由于这两种状态分子间距不同所导致。

 
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