安全防控技術在動力鋰電池產(chǎn)業(yè)中的應用

吳志平

(廣州松田職業(yè)學院，廣州 511370)

新能源汽車產(chǎn)業(yè)被列入“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃,也是國家政策和資金重點扶持的產(chǎn)業(yè)。我國的新能源汽車起步相對發(fā)達國家略晚,相關的配套設施安全性能還不夠理想,動力鋰電池的安全和使用壽命就是制約新能源汽車發(fā)展的關鍵問題之一。

1 電動汽車起火的主要原因

根據(jù)公布的數(shù)據(jù)分析,電動汽車在充電狀態(tài)下導致的起火占事故總數(shù)的50%以上,由于碰撞原因?qū)е碌男履茉雌嚻鸹鸷托旭傔^程中發(fā)生的自燃起火各占事故的20%左右。從車輛狀態(tài)來看,動力電池在靜止和使用過程中都有發(fā)生起火的可能。一些南方城市夏季高溫、臺風暴雨等惡劣天氣頻繁,這也會引發(fā)動力電池起火事故。

2 動力鋰電池起火原因分析

電池過熱而造成的熱失控是鋰離子電池起火的主要原因,常發(fā)生在電池充電與放電的過程中。由于鋰離子本身具有一定的內(nèi)阻,在電能輸出保證電動車能量供給的同時自身也會產(chǎn)生一定的熱量，這種持續(xù)的熱量會使得鋰離子電池本身的溫度變高。鋰離子電池是由多個單體電芯構成的整體,當電池溫度處在持續(xù)升溫的狀態(tài)下,能量供給過程中產(chǎn)生的大量熱能就聚集在狹小的電池箱體中,在超出其正常的工作溫度和承受極限時，便會嚴重損害鋰離子電池的使用壽命,甚至導致鋰離子電池熱失控起火或爆炸。

2.1 碰撞原因?qū)е碌臒崾Э?/h3>

電動汽車發(fā)生交通事故時會產(chǎn)生不同程度的碰撞,而強烈的外力因素也會同時作用到鋰離子電池,使得鋰離子電池箱體變形、破損,電池本身的配件被移位或損壞,電池的隔膜被撕裂導致電池內(nèi)部短路,易燃的電解質(zhì)泄漏出來。在所有的碰撞傷害對電池性能產(chǎn)生的破壞中,最為嚴重的當屬穿刺傷害,嚴重的穿刺傷害會直接插入電池本體,造成電池的正負極直接短路并加劇熱量集中生成爆發(fā),引起發(fā)熱失控,嚴重破壞電池的正常性。

2.2 使用不當導致的熱失控

使用不當也是引起鋰離子電池熱失控的主要原因,具體體現(xiàn)在充電過度、放電過度、外部短路等幾大原因。相較于外部短路和充電過度,放電過度對鋰離子電池的危害相對較小，放電過程中的銅枝晶增長會降低電池的安全性,間接增加熱失控的幾率。外部短路時，電池的熱量不能有效散去,電池溫度升高并引發(fā)熱失控。充電過度是對鋰離子電池危害最大也是引起電池熱失控最主要的原因,充電過度會造成過量的鋰嵌入,鋰枝晶在陽極表面生長,鋰的過度脫嵌導致陰極結構因發(fā)熱和氧釋放而崩潰,氧氣的釋放會加速電解質(zhì)的分解,從而產(chǎn)生大量氣體,隨著內(nèi)部壓力的增加讓排氣閥打開,電池開始排氣。此時,電芯中的活性物質(zhì)與空氣接觸并發(fā)生劇烈反應,放出大量的熱,從而導致電池燃燒起火。

2.3 外部環(huán)境溫度過高導致的熱失控

外部環(huán)境溫度過高也是導致鋰離子電池發(fā)生熱失控事故的原因之一。當外部環(huán)境過高時，鋰離子自身的散熱加劇并無法有效分散,內(nèi)外的熱壓力聚集導致鋰離子溫度控制系統(tǒng)被破壞,無法起到應有的保護效果,從而造成短路引發(fā)熱失控。外部環(huán)境溫度過高的原因是多方面的,如電動汽車空調(diào)系統(tǒng)失靈、熱管理系統(tǒng)失效、外部碰撞導致鋰離子電池內(nèi)部結構被擠壓和損壞等，這些因素都可能導致外部環(huán)境溫度過熱，進而發(fā)生電池熱失控。

3 動力鋰電池安全防控技術的應用

提高動力鋰電池的安全性能需要從內(nèi)外兩方面著手,具體來說就是材料的優(yōu)化與技術的提升,從而更好地保證鋰電池的安全性與穩(wěn)定性,有效延長鋰電池的使用壽命。

3.1 提升熱管理系統(tǒng)性能

熱管理系統(tǒng)在整個鋰電池的構造中主要起到控制溫度的作用,即確保鋰電池始終處于合理的溫度范圍內(nèi)運行。這其中最重要的手段就是利用空調(diào)系統(tǒng)對電池進行溫度控制,溫度過高時及時降溫,溫度過低時及時加熱,以保證電池的安全及壽命。現(xiàn)階段鋰電池的散熱方式主要有利用空氣冷卻的風冷模式、利用液體冷卻的水冷模式、相變材料冷卻、結合冷卻等,通過技術研發(fā)提升熱管理性能是保證電池安全性的重要舉措之一。

3.2 對內(nèi)部材料及結構進行改良

電池電芯內(nèi)部材料主要是正負極材料、隔膜、電解液等,選用耐熱性能更佳、散熱性能更強的材料是保證電池安全的關鍵。如選用電導率更高的固態(tài)電解液、可逆容量更好的負極材料、安全性更高的隔膜材料都是提升電池熱性能的有效方法。對正負極進行結構改造,升級電池系統(tǒng)技術,雙管齊下更能保證電池的性能安全。

3.3 大力引進人才,加強技術攻關

高素質(zhì)的人才是保證鋰電池質(zhì)量的關鍵所在，我國的動力電池行業(yè)更加要注重對人才的引進與培養(yǎng),這是適應新時代經(jīng)濟行業(yè)發(fā)展的大趨勢。要加大科技人才和專業(yè)管理人才的引進力度,突破科研瓶頸。要建立科技攻關激勵機制,獎勵鼓勵在技術、管理等方面的創(chuàng)新舉措和建言獻策的人員。在技術上進行創(chuàng)新,研發(fā)關鍵零部件,對生產(chǎn)設備與工藝流程改造升級,延長動力電池的使用周期,在傳統(tǒng)技術的基礎上完成新工藝與新技術的研發(fā)、試制、測試、投入,為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展夯實基礎。

4 結語

生態(tài)型城市已經(jīng)成為新時期的城市發(fā)展方向,良好的生態(tài)環(huán)境是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的先決條件,能源的可持續(xù)發(fā)展決定著經(jīng)濟社會是否能健康持續(xù)發(fā)展。動力鋰電池作為新能源汽車的主流動力源,其安全、穩(wěn)定、可靠的性能是保證和加快新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要前提,也是實現(xiàn)建設資源節(jié)約型社會的重要途徑。通過提高電池正負極材料穩(wěn)定性、優(yōu)化電池隔膜材料、提高融化溫度、開發(fā)阻燃或不燃電解液、改善電池熱管理系統(tǒng)、及時預警排查故障電池、發(fā)展火災預測預警技術和消防滅火技術等諸多技術創(chuàng)新,在各個方面不斷完善提升,切實提高動力鋰電池的安全防控性能,更好地促進新能源汽車行業(yè)的進步與發(fā)展。