電動汽車鋰電池內(nèi)短路誘發(fā)熱失控的機(jī)理研究進(jìn)展

范志強(qiáng)

摘 要：鋰離子動力電池具有高能量密度、長循環(huán)壽命、較低的自放電率等優(yōu)點，已被大規(guī)模應(yīng)用于新能源電動汽車產(chǎn)業(yè)。但是在實際使用中可能會出現(xiàn)過充電、過放電、機(jī)械擠壓、針刺以及過熱等異常狀態(tài)，引發(fā)鋰電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象，使電動汽車有發(fā)生起火、爆炸等危險情況。而熱失控的眾多誘因幾乎都會造成電池內(nèi)短路的發(fā)生。為此，本文對動力電池內(nèi)短路誘發(fā)熱失控的機(jī)理展開研究，并著重分析國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及相關(guān)的抑制手段。

關(guān)鍵詞：內(nèi)短路;熱失控;動力電池

1 引言

新能源汽車的動力來源大多是由鋰離子電池組成的動力電池系統(tǒng)，其在實際使用過程中可能會發(fā)生機(jī)械濫用（如碰撞、擠壓、穿刺、振動等）、電氣濫用（如過充電、過放電等）和熱濫用等濫用情況，從而誘發(fā)熱失控現(xiàn)象。而這三種濫用情況發(fā)生過程中幾乎都會伴隨電池內(nèi)短路的發(fā)生。為深入研究電池?zé)崾Э貦C(jī)理，防止熱失控現(xiàn)象的發(fā)生，本文研究了動力電池內(nèi)短路誘發(fā)熱失控的機(jī)理及相關(guān)的抑制手段。

2 動力電池內(nèi)短路發(fā)生的誘因

內(nèi)短路是指電池單體由于隔膜失效而導(dǎo)致正負(fù)極直接接觸的現(xiàn)象。造成動力電池內(nèi)短路發(fā)生的誘因主要分為三種，第一種為外部濫用造成的內(nèi)短路，例如擠壓、穿刺等機(jī)械濫用造成隔膜的形變和撕裂，過充電、過放電等電氣濫用產(chǎn)生的枝晶刺穿隔膜，以及熱濫用造成的高溫使隔膜發(fā)生收縮和折疊。第二種是電池制造過程中因材料含有的金屬雜質(zhì)、環(huán)境中的粉塵、模切時產(chǎn)生的毛刺等問題導(dǎo)致電池缺陷。第三種是電池在應(yīng)用過程中過于頻繁地進(jìn)行低溫充電或充電電流過大導(dǎo)致負(fù)極表面析鋰，從而導(dǎo)致內(nèi)短現(xiàn)象的發(fā)生。第二種和第三種情況產(chǎn)生的內(nèi)短路程度一般比較輕微，且產(chǎn)生的熱量很少，不會立即觸發(fā)熱失控。

3 動力電池內(nèi)短路誘發(fā)熱失控機(jī)理

電池發(fā)生內(nèi)短路時根據(jù)自放電速率和產(chǎn)熱速率可分為三個不同的演化階段（圖1）。

內(nèi)短路前期，電池發(fā)生了非常緩慢的自放電現(xiàn)象，其發(fā)展具有自限性，過程中幾乎沒有熱量產(chǎn)生，這時電池的壓降十分緩慢，且?guī)缀鯖]有溫升;內(nèi)短路中期，由于熱量開始聚集，電池的內(nèi)短路現(xiàn)象開始變得明顯，電壓下降速率變大，溫度快速升高;內(nèi)短路后期，溫度達(dá)到了隔膜的瓦解溫度，電池內(nèi)短路加劇，放熱鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生，溫度異常升高，隔膜進(jìn)一步的瓦解，造成大面積內(nèi)短路，從而使電池不可遏制地發(fā)生了熱失控，其表現(xiàn)為電壓消失、溫度急劇上升。

4 動力電池內(nèi)短路抑制手段

針對動力電池內(nèi)短路的發(fā)生誘因和其演化機(jī)理，內(nèi)短路的抑制手段主要從電芯設(shè)計及制造、BMS管理兩方面采取措施。

4.1 電芯設(shè)計及制造

為防止內(nèi)短路的發(fā)生，對單體電芯而言，可實施的抑制手段主要有電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、電芯材料改性以及嚴(yán)格控制制造工藝三方面進(jìn)行。

4.1.1 電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化一般是在電芯中安裝PTC元件、防爆片以及排氣閥組合成的防爆蓋帽。該設(shè)計主要用來抑制充電電流過大以及過充電引起的內(nèi)短路，對電池形成三層保護(hù)作用。

第一層保護(hù)：當(dāng)電池工作電流過大時，電池及PTC會發(fā)熱，PTC的阻值隨著溫度的上升會呈幾何倍數(shù)的增加，起到降低電流保護(hù)電池的作用。

第二層保護(hù)：當(dāng)電池過充時正極分解并釋放出氧氣，導(dǎo)致電池內(nèi)壓增大，防爆片翻轉(zhuǎn)變形，拉脫與極耳的激光焊點，使電池斷電，保護(hù)電池不再繼續(xù)大電流工作。

第三層保護(hù)：如果電池斷電后，電池的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)依然沒有被阻斷，溫度持續(xù)上升，電芯內(nèi)壓則會繼續(xù)增大，直至排氣閥破裂，電池內(nèi)部氣體瀉出，內(nèi)壓下降，避免電池發(fā)生爆炸。

4.1.2 電芯材料改性

由于電池內(nèi)短路的演化發(fā)展與電池隔膜瓦解的程度相關(guān)，所以在電芯材料改性方面抑制內(nèi)短路的手段主要就是隔膜材料的優(yōu)化。目前傳統(tǒng)的隔膜材料是聚烯烴材料（如聚乙烯PP、聚丙烯PE），但該材料高溫下熱縮、電解液浸潤性能差，對其優(yōu)化改性方法主要有以下三種：

①應(yīng)用陶瓷涂層：

PE、PP隔膜材料的熔點分別在130℃、170℃，添加陶瓷涂層（如Al2O3）后隔膜的熔點可以提高至200-260℃，有效地提高了隔膜瓦解的溫度。

②選用新的隔膜材料：

有研究采用靜電紡絲技術(shù)制造了一種材料為聚酰亞胺（PI）的納米無紡布，該材料200℃開始收縮，500℃瓦解，且擁有良好的電解液浸潤性和離子傳導(dǎo)能力，但靜電紡絲制造工藝效率低成本高，不利于大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化。

③使用三層復(fù)合隔膜：

內(nèi)短路演化過程中隔膜的熔融分為孔隙關(guān)閉、收縮和瓦解三個階段?？紫蛾P(guān)閉階段，即溫度升高至隔膜關(guān)閉溫度，隔膜的孔隙隨之關(guān)閉，阻止鋰離子通過，同時內(nèi)阻升高，阻止大電流通過電池;收縮階段，即溫度繼續(xù)升高至隔膜收縮溫度，隔膜開始收縮，正負(fù)極直接接觸造成內(nèi)短路;瓦解階段，即當(dāng)溫度足夠高時，隔膜就會隨之瓦解，發(fā)生大規(guī)模內(nèi)短路。三層復(fù)合隔膜就是利用中間層隔膜的熔點低于外層隔膜的特性，為隔膜從的關(guān)閉溫度到收縮溫度提供了時間間隙，以便提早檢測到內(nèi)短路的發(fā)生。例如，PP/PE/PP三層復(fù)合隔膜在130℃到170℃之間，隔膜只有輕微的收縮，但是在這個溫度范圍內(nèi)隔膜的孔隙會關(guān)閉，對電池形成一定的保護(hù)作用。

4.1.3 嚴(yán)格控制制造工藝

電芯制造過程中正負(fù)極材料中的金屬雜質(zhì)、生產(chǎn)車間的粉塵顆粒、極片毛刺、正負(fù)極錯位以及電解液浸潤不良都有可能造成電池內(nèi)部緩慢發(fā)展的內(nèi)短路，所以在電芯生產(chǎn)過程中需要對電池原材料雜質(zhì)檢驗、車間粉塵控制、分切模切時的毛刺檢測等生產(chǎn)工藝進(jìn)行嚴(yán)格要求，避免自發(fā)內(nèi)短路的發(fā)生。

4.2 BMS故障診斷

在內(nèi)短路演化過程中電壓、溫度的變化較為明顯且便于檢測，故通過BMS對電池組的電壓、溫度的進(jìn)行在線一致性故障診斷可有效地在內(nèi)短路前中期將故障識別出來。其具體方法如圖2，首先基于電池組平均-差異模型判定可能存在內(nèi)短路現(xiàn)象的故障單體，然后再基于電池內(nèi)短路熱-電耦合模型，判斷故障單體是否符合內(nèi)短路特征參數(shù)，最后確定是否發(fā)生了內(nèi)短路故障。

5 結(jié)語

在熱失控的的機(jī)械濫用、電氣濫用和熱濫用三大濫用情況發(fā)生時內(nèi)短路的發(fā)生幾乎無法避免，所以內(nèi)短路在熱失控的研究中占有十分重要的地位。內(nèi)短路除了外部濫用情況可誘發(fā)外，電芯制造缺陷、使用不當(dāng)?shù)榷加锌赡軐?dǎo)致電池內(nèi)部緩慢地發(fā)生內(nèi)短路。本文通過研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)短路誘發(fā)熱失控需要經(jīng)過三個階段，內(nèi)短路前期和中期時未對電池安全造成威脅，只有當(dāng)內(nèi)短路發(fā)展到后期才會發(fā)生熱失控。所以利用電芯設(shè)計及制造預(yù)防和BMS內(nèi)短路故障診斷等手段可有效減少電池發(fā)生內(nèi)短路的概率，并在內(nèi)短路發(fā)生的前中期就將其排查識別出來，從而避免了熱失控安全事故的發(fā)生。

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