電動汽車鋰（動力）電池火災(zāi)研究分析與對策

董學(xué)鵬 程書國

消防救援總隊 安徽合肥 230000

電動汽車大致分為純電動汽車、燃料電池電動汽車和混合動力電動汽車。電動汽車的一個共同特點是汽車完全或部分由電力通過電機(jī)驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)低排放或零排放。電動汽車的應(yīng)用不僅能夠滿足人們的出行需要，同時還能保護(hù)環(huán)境節(jié)約能源，這使得我國政府大力推進(jìn)電動汽車的應(yīng)用。但人們對電動汽車的安全性存在質(zhì)疑，尤其是在近些年頻頻出現(xiàn)消防安全事故的情況下。為了改變這一局面，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)電動汽車火災(zāi)的研究。

1 電動汽車動力電池火災(zāi)特點

電動汽車上使用的動力電池是一種儲能裝置，極易受到外界環(huán)境刺激和自身缺陷的影響而發(fā)生熱失控，造成火災(zāi)或爆炸等災(zāi)害性事故。動力電池是電動汽車的核心部件，也是電動汽車中最大的火災(zāi)危險源，研究動力電池的火災(zāi)對于理解電動汽車火災(zāi)至關(guān)重要！電動汽車動力電池火災(zāi)具有如下特點：

1.1 燃燒迅速，持續(xù)時間長

根據(jù)NFPA（美國消防協(xié)會）的實驗，動力電池著火時，火勢僅僅數(shù)秒鐘的時間就在動力鋰離子電池模塊內(nèi)快速地蔓延，整個燃燒持續(xù)約27min。在對某種動力電池進(jìn)行穿刺使其內(nèi)部發(fā)生短路的實驗中，發(fā)現(xiàn)在穿刺時會冒出氣體；經(jīng)過1-2秒將會噴出火焰，并且火焰持續(xù)升高。這充分說明了一旦電池內(nèi)部發(fā)生熱失效，其將迅速燃燒，且時間較長。

1.2 燃燒溫度較高

動力電池一旦出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，其燃燒不僅迅速，還會釋放出大量的熱能。根據(jù)NFPA的實驗，燃燒中電池外部最高溫度可達(dá)283℃-1090℃，電池內(nèi)部的溫度可達(dá)572℃-1121℃，如此高的溫度足以引燃電池模塊內(nèi)部和汽車內(nèi)的其他可燃材料，產(chǎn)生更大的火災(zāi)，最終造成嚴(yán)重的生命財產(chǎn)危害。

1.3 燃燒猛烈

燃燒猛烈也是動力電池火災(zāi)的一大特點。在上述穿刺實驗中，確定動力電池燃燒能夠擴(kuò)散5m的距離，并且噴射大量的火焰，如此猛烈的燃燒，必然會給周圍造成嚴(yán)重的破壞。

1.4 釋放大量有毒有害氣體

在對上述穿刺實驗進(jìn)行觀察的過程中，還發(fā)現(xiàn)動力電池燃燒會釋放大量的氣體。經(jīng)過相關(guān)調(diào)查，確定所釋放的氣體中含有大量的烯烴、烷烴、醚等化合物，這些物質(zhì)均具有不同程度的毒性。

1.5 撲救困難

對于動力電池而言，大部分燃燒反應(yīng)發(fā)生在電池外殼內(nèi)部，電池外殼阻礙了滅火劑發(fā)生作用，電動汽車動力電池一旦著火撲救將十分困難。

1.6 不同類型的動力電池有著不同的火災(zāi)特點

磷酸鐵鋰體系：需要外部火源才能引發(fā)火災(zāi)，反應(yīng)速度緩慢，發(fā)煙量巨大。

三元電池體系：噴射火，無需外部火源，反應(yīng)速度快，發(fā)煙量相對較少，燃燒溫度高，通常伴隨內(nèi)部物質(zhì)飛出。

對近5年來公開報道的電動汽車起火事件進(jìn)行梳理，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，有以下趨勢：

電動客車的起火頻次和占比自2015年開始，逐年減少，這與2016年初三元電芯被禁止用于電動客車，以及后續(xù)頒布的相關(guān)安全管理政策法規(guī)相關(guān)；

乘用車發(fā)生起火的頻次和占比總體上升，2015、2016年車輛大多為客車，乘用車是后面才上量，基數(shù)上來了是一個因素；另外，這兩年，大多采用的是三元電芯；

物流車變化的趨勢與乘用車類似，物流車的起量也相對晚，物流車近2年的起火事故增加較多。

2 電動汽車動力電池結(jié)構(gòu)特點及工作原理

電動汽車動力電池的直接作用是為電動汽車提供動力來源的電源，目前主要采用磷酸鐵鋰體系和三元體系鋰電池。

2.1 動力電池結(jié)構(gòu)特點

動力電池的結(jié)構(gòu)可以分為三層：電池單體、電池模組和動力電池系統(tǒng)。

電池單體，構(gòu)成動力電池的最小單元，是直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的基本單元裝置，包括電極、隔膜、電解質(zhì)、外殼和端子，并被設(shè)計成可充電的。

電池模組，將一個以上電池單體按照串并聯(lián)方式組合，且只有一對正負(fù)極輸出端子，并作為電源使用的組合體；由電池單體和模塊控制器組成，作為動力電池中的一個小模塊。

動力電池系統(tǒng)，由電池模組、控制單元、采集系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及其他機(jī)械裝置構(gòu)成的總成，是電動汽車中最重要的核心部件。

2.2 動力電池工作原理

電池單體主要由正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)和隔膜組成，主要依靠Li+在兩個電極之間的充放電往返嵌入和脫嵌工作。電池充電時，正極材料中的鋰脫出來，穿過隔膜進(jìn)入到負(fù)極石墨中；電池放電時，鋰離子又從負(fù)極石墨中脫出來，穿過隔膜回到正極材料中。

電池一般采用含有鋰元素的材料作為正極材料，但有些材料化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性較差，在過充、撞擊、短路過程中很容易引發(fā)火災(zāi)及爆炸事故。除了正極材料外，負(fù)極材料的好壞直接影響鋰離子電池的性能，傳統(tǒng)碳負(fù)極材料易在電解液中形成固體電解質(zhì)界面膜，引起初始容量的不可逆損失，降低首次充放電的效率，其次，由于碳負(fù)極的電位接近金屬鋰的電位，當(dāng)電池過充時，碳負(fù)極表面易析出金屬鋰，從而可能形成鋰枝晶，引起短路。

目前，電動汽車中最常見的動力電池是鋰電池，而鋰電池又主要分為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。磷酸鐵鋰電池具有安全性能高、高溫性能好、大容量、無記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點，但同時，其能量密度低，一致性差。三元鋰電池具有能量高、額定電壓高、具備高功率承受力、自放電率低、重量輕、高溫適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點，但其安全性差、不能大電流放電、生產(chǎn)要求高、成本高、高低溫使用危險大。

3 電動汽車動力電池火災(zāi)危險性分析

電動汽車動力電池之所以能夠發(fā)生上述特點的燃燒現(xiàn)象，與動力電池的特性及燃燒規(guī)律有很大關(guān)系。動力電池起火的主要原因是電池過熱而造成的熱失控。電動汽車由于充電以及出現(xiàn)意外事故，造成系統(tǒng)擠壓、竄動、開裂、熱沖擊、漏電、燃燒、爆炸等，從而引起電池?zé)崾Э兀M(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。究其原因，總體上來說分為外部原因和內(nèi)部原因兩種。

3.1 外部原因

高溫?zé)釠_擊。電池直接暴露在高溫環(huán)境下，影響電池的循環(huán)使用壽命和安全性，電池可能會發(fā)生短路。

過充電。電池在充電過程中會有少量的熱量產(chǎn)生，正常充電時由于溫度上升慢，散熱及時不會發(fā)生危險。但是發(fā)生過充電時，電池溫度會升高較快，促使電解液發(fā)生氧化分解，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量又加劇電池內(nèi)部的溫升，如此反復(fù)循環(huán)，電池極易發(fā)生熱失控。

機(jī)械濫用。機(jī)械濫用包括穿刺、擠壓、跌落、震動等情況，實驗證明，這些情況下電池有極大的可能性發(fā)生短路，并且瞬間釋放大量的熱。

浸水。當(dāng)電動車遇到暴雨或其他涉水情況，電池包一旦密封性能不足時，電池間的接線可能會由于水或者水汽侵蝕，造成短路。一旦短路，電池溫度迅速升高，引起燃燒或者爆炸的可能性就很大。

3.2 內(nèi)部原因

大量試驗結(jié)果證實，電池內(nèi)部短路是導(dǎo)致正常使用條件下的電池發(fā)生燃燒、爆炸等危險行為的主要原因。常見的導(dǎo)致電池內(nèi)部短路的因素包括：

（1）吸附在隔膜表面的導(dǎo)電粉塵。這是導(dǎo)致電池發(fā)生內(nèi)部短路并最終發(fā)生火災(zāi)的最大隱患。當(dāng)沒能嚴(yán)格地控制電池裝配車間環(huán)境，空氣中就會存在大量激光焊接粉塵和極片粉塵。這些漂浮的粉塵有可能由于靜電作用而吸附于隔膜表面，卷繞時夾雜在正負(fù)極之間。

（2）電池卷芯的正負(fù)極片有錯位。設(shè)計電池極片時，負(fù)極片往往比正極片寬0.5mm-1mm，其目的是保證電池電芯中負(fù)極與之相對的正極邊緣寬0.25mm-0.5mm，避免電池充電過程中負(fù)極邊緣發(fā)生析鋰現(xiàn)象。但在卷繞過程中沒有精確地控制極片位置使得部分正極邊緣較負(fù)極凸出，充電時很有可能析出鋰，而發(fā)生內(nèi)部短路。

（3）極片有毛刺。如果極片分切時極片邊緣存在毛刺，并且在電池生產(chǎn)過程中并未造成直接的內(nèi)部短路，往往因不能被發(fā)現(xiàn)而作為合格產(chǎn)品出廠。但在電池使用過程中，可能由于厚度不斷膨脹收縮導(dǎo)致毛刺刺破隔膜而發(fā)生內(nèi)部短路，從而引發(fā)安全性事故。

（4）負(fù)極表面析鋰。為避免負(fù)極表面析鋰，電池設(shè)計時負(fù)極片容量往往較正極片高5%-10%。由于負(fù)極表面存在空白涂點或者涂布不均，很有可能造成局部正極容量高于負(fù)極。這一部分負(fù)極表面在充電過程極易發(fā)生金屬鋰的析出現(xiàn)象,從而有可能造成電池內(nèi)部短路。此外，電池低溫充電或大電流充電時也非常容易導(dǎo)致負(fù)極表面析鋰，造成內(nèi)部短路。

4 電動汽車動力電池研究對策

動力電池的安全關(guān)系到很多方面，要從電池設(shè)計、制造、全生命周期管理，材料科學(xué)，車輛設(shè)計等多方面采取措施，才能真正有效的提高電動汽車動力電池的安全性。

在動力電池使用過程中，電池單體的一致性決定了電池模組的安全性。一致性偏差越大，動力電池的安全性就越差。同時，這種一致性的要求，不僅體現(xiàn)在新電池方面，對于電池生命周期的中后段要更加重視一致性的管控，因為經(jīng)過多次使用后，電池單體的變化會很大，幾千個電池單體間的差異會變大。差異越大，電池發(fā)生熱失控的風(fēng)險就越大。

鋰電池在充放電和存儲過程中，存在著溫度、電流、電壓上的安全工作區(qū)間。有必要對鋰電池進(jìn)行有效的監(jiān)控、管理，保證其在安全的溫度、電流、電壓區(qū)間內(nèi)工作。

對于動力電池,熱失控是最嚴(yán)重的安全事故,電池?zé)崾Э匾坏┌l(fā)生，很難終止其反應(yīng)，需要在熱失控發(fā)生初期進(jìn)行階段性預(yù)警，可以采取不同防護(hù)手段抑制熱失控的傳播，如強(qiáng)化電池冷卻系統(tǒng)、覆蓋隔熱層、隔絕空氣來起到窒息作用等。

基于上述研究分析，建議加強(qiáng)以下幾方面的對策研究，提高電動汽車動力電池的安全性。

（1）開發(fā)更好的電極材料、電解質(zhì)材料、隔膜材料，提高其熱失控溫度；

（2）設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化電池的散熱，做好動力電池的熱管理及結(jié)構(gòu)安全防護(hù)；

（3）加強(qiáng)電池全生命周期內(nèi)的一致性管控的研究，特別是中后期的；

（4）嚴(yán)格控制電池單體的品質(zhì)，加強(qiáng)生產(chǎn)管控。

5 結(jié)語

隨著電動汽車數(shù)量的持續(xù)增加，電動汽車的火災(zāi)安全性問題日益凸顯，鋰（動力）電池作為電動汽車最為關(guān)鍵的零部件，同時也是電動汽車所特有的主要火災(zāi)危險源，其本身的安全性越來越重要！建議持續(xù)地深入研究相關(guān)安全對策，不斷提高動力電池的安全性，降低火災(zāi)風(fēng)險，減少人民群眾生命和財產(chǎn)損失。