新能源汽車電池?zé)崾Э厥鹿史雷o研究

馬鋮

摘 要：二氧化碳是造成溫室效應(yīng)的主要原因。而汽車燃料中含有碳元素，汽車尾部排氣管會排放大量二氧化碳，所以燃油車的大量使用會在一定程度上加劇溫室效應(yīng)。隨著全球環(huán)境惡化問題的日益凸顯，新能源汽車研究和應(yīng)用將成為未來汽車研發(fā)的主要方向。目前，市場上的新能源汽車主要依靠電池發(fā)電提供動力，這其中就面臨著一個新問題——電池?zé)崾Э?。這種電池?zé)崾Э乜赡芤l(fā)汽車自然等安全事故，所以如何對新能源汽車電池?zé)崾Э厥鹿蔬M行有效防護就成為研究重點。本文就從電池?zé)岈F(xiàn)象的闡述出發(fā)，分析新能源汽車電池?zé)崾Э厥鹿?，進而提出相關(guān)防護措施，以供參考。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 電池?zé)崾Э?安全事故 事故防護

1 引言

新能源汽車事故與駕駛、乘車人員的生命安全、財產(chǎn)安全密切相關(guān)，隨著新能源汽車的推廣、應(yīng)用，社會各界對其安全問題越發(fā)關(guān)注。因多數(shù)新能源汽車事故為自燃事故，而自燃事故的發(fā)生原因為電池存在缺陷、易引起熱失控導(dǎo)致自燃，所以，如何解決這一問題成為新能源汽車企業(yè)需深入研究的課堂。下列就新能源汽車電池?zé)崾Э厥鹿拾咐M行分析，并提出相應(yīng)防護策略，以期提高新能源汽車的安全性能，減少自燃事故的發(fā)生率，并為駕乘人員的人身安全提供保障。

2 電池?zé)岣攀?/p>

熱失控（thermal runaway），指的是電池單體放熱連鎖反應(yīng)引起電池溫度不可控上升的現(xiàn)象。其可劃分為三個階段，即自生熱階段（50℃-140℃），熱失控階段（140℃-850℃），熱失控終止階段（850℃－常溫）。

自生熱階段，又名熱積累階段。其始于SEI膜的溶解，因負極及負極內(nèi)包含的嵌鋰碳成分暴露于電解液里，而嵌鋰碳可與電解液發(fā)生放熱反應(yīng)，所以電池溫度升高。

熱失控階段，當溫度超過140℃后，正負極材料都會進行電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致溫升速度加快。外部可直接觀測到電壓的急劇下跌。短時間內(nèi)，劇烈的反應(yīng)生成大量氣體、熱，發(fā)生膨脹。熱量向周圍傳播，熱失控向其他電芯蔓延。

熱失控終止，熱失控一旦發(fā)生，只有待反應(yīng)物耗盡，熱失控過程才能自然終止。

3 新能源汽車電池?zé)崾Э厥鹿史治?/p>

3.1 典型案例分析

以汽車所處狀態(tài)為依據(jù)，可將新能源汽車電池?zé)崾Э厥鹿蕜澐譃槌潆娭袩崾Э?、靜置中熱失控、行駛中熱失控三類。

案例1（行駛中熱失控）：7月5日下午，上海市寶山區(qū)楊行鎮(zhèn)蕰川公路北上海購物中心路段，一臺小鵬P7在行駛過程中突發(fā)意外，車輛起火燃燒。從網(wǎng)絡(luò)曝光的視頻來看，這臺小鵬P7的外觀并無明顯碰撞痕跡，車輛起火點位于前部底盤處，起初有大量白煙冒出，隨后愈發(fā)嚴重，并最終出現(xiàn)明火。隨后消防隊員到場控制住了火勢，但車輛前部已經(jīng)完全損壞，車輛基本處于報廢狀態(tài)。

案例2（靜置中熱失控）：近日，北京石景山奧動楊莊換電站發(fā)生火情，引發(fā)關(guān)注。4月25日，奧動新能源就此事回應(yīng)南都記者稱，起火原因系充電艙內(nèi)一塊電池，在非充電時的靜置狀態(tài)下，因自身短路引發(fā)熱失控?！按舜问录斐梢粔K電池因自燃短路被燒毀，另一塊電池被溫度異常波及，未對人員及車輛造成任何損害，亦未對該換電站及其周遭環(huán)境產(chǎn)生影響”。公司已于20日啟動新一輪換電站安全自查，并啟動24小時值班機制，落實安全排查與保障措施。目前，除石景山楊莊換電站外，北京市其他換電站均正常運營。

案例3（充電中熱失控）：2023年2月4日午后，海南昌江黎族自治縣石碌鎮(zhèn)太坡鐵路附近發(fā)生一起新能源汽車充電自燃事故。一輛正在充電的新能源汽車突然起火，并在幾分鐘內(nèi)徹底燒毀，僅剩車架留存。消防救援部門在5分鐘內(nèi)趕到現(xiàn)場，并隨后撲滅起火車輛，本次事故并未造成人員傷亡。當事人表示：自己正在等車輛充滿電，但在充了一個多小時后，正在充電的車輛突然出現(xiàn)冒煙起火。起火后，自己試圖對車輛施行緊急滅火，但未起到明顯效果。隨著火勢逐漸擴大不可控，隨后路人撥打電話報警。

3.2 新能源汽車電池?zé)崾Э厥鹿实脑?/p>

電池?zé)崾Э氐闹饕T因為短路，而電池短路的原因較多，主要為：（1）非純凈水進入電池系統(tǒng)，因其為導(dǎo)電介質(zhì)，浸水耦合作用導(dǎo)致拉弧，所以電池殼體被擊穿，并出現(xiàn)電解液泄漏現(xiàn)象，電解質(zhì)接觸空氣后發(fā)生燃燒。（2）電池系統(tǒng)受到擠壓穿刺，隔膜機械被破壞，正負極接觸導(dǎo)致短路。（3）快速充電時，負極快速析鋰，其與電解液發(fā)生反應(yīng)后快速放熱。因析鋰現(xiàn)象可導(dǎo)致枝晶伸展刺穿隔膜，所以可引發(fā)電池短路。

上述提到的電池短路方式皆指的是電池本身無問題時，受外界因素影響而導(dǎo)致的熱失控，分別對應(yīng)的是汽車浸水引起的自燃事故、汽車碰撞引起的自燃事故、汽車充電引起的自燃事故。

部分車輛出現(xiàn)熱失控事故的原因為電池本身存在問題，使用時間一長，電池出現(xiàn)老化現(xiàn)象，因熱量緩慢積累引起了電池?zé)崾Э厥鹿?。該類事故發(fā)生時，車輛或處于行駛過程中，或處于靜置過程中。

3.3 新能源汽車電池?zé)崾Э厥鹿实奶攸c

根據(jù)事故發(fā)生時間，可將新能源汽車電池?zé)崾Э厥鹿史譃榭焖贌崾Э厥鹿?、緩慢熱失控事故兩類，其特點如下：

（1）快速熱失控事故的特點：快速熱失控事故包括浸水、碰撞、充電引起的自燃事故。其主要特點為發(fā)生快、易產(chǎn)生爆炸、危險度高。鋰電池燃燒可點燃車輛內(nèi)飾，產(chǎn)生大量有毒氣體，直接對駕駛?cè)藛T、乘車人員的生命安全造成了影響；且因此類事故常見于車禍等情形，所以數(shù)分鐘后即可起火燃燒；此外，部分電池容量較大，易產(chǎn)生爆炸。

（2）緩慢熱失控事故的特點：緩慢熱失控事故是因電池老化導(dǎo)致的短路，是一個緩慢的熱積累過程，所以事故發(fā)生時，車輛會逐步出現(xiàn)白煙、異味。因此，其典型特征為：車輛逐步出現(xiàn)白煙、異味。

4 新能源汽車電池?zé)崾Э厥鹿史雷o措施

新能源汽車電池?zé)崾Э厥鹿史雷o措施有二，一為國家進一步設(shè)置強制性國家標準，通過強化新能源汽車安全要求加強監(jiān)管約束，確保動力蓄電池具有較強的安全性能；二為車企從材料、電芯、模組、系統(tǒng)四個方面入手對電池?zé)崾Э剡M行阻隔，從而降低電池?zé)崾Э厥鹿实陌l(fā)生率，具體如下：

4.1 國家標準中對新能源汽車安全要求

新能源汽車與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求相符，可在滿足人民群眾的出行需求的同時減少能源消耗、尾氣排放。但新能源汽車電池?zé)崾Э厥鹿实念l繁發(fā)生導(dǎo)致人民群眾對新能源汽車的安全產(chǎn)生了質(zhì)疑，且影響了新能源汽車的推廣應(yīng)用。因此，國家相關(guān)部門需強化新能源汽車安全要求，以此加強監(jiān)管約束。

《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中明確規(guī)定：電動汽車企業(yè)需對汽車動力蓄電池進行多種情形（過充、外部火燒、浸水、擠壓、濕熱循環(huán)、模擬碰撞等）下的模擬試驗，在完全通過模擬測試后，才可對動力蓄電池進行大規(guī)模生產(chǎn)。同時，為降低新能源汽車自燃事故對駕乘人員的影響，《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中還特別增加了電池系統(tǒng)熱擴散試驗，明確要求電池單體發(fā)生熱失控后進而引發(fā)熱擴散危及駕乘人員生命安全之前五分鐘，應(yīng)提供報警信號，為駕乘人員預(yù)留逃生時間。實踐中，如果熱擴散不會危害駕乘人員的人身安全，則視為滿足此條要求。

在如此嚴格的要求下，電動汽車企業(yè)就動力蓄電池進行深入研究、探索，不斷提高了動力蓄電池的安全性能。目前，已有數(shù)家車企通過測試。

4.2 現(xiàn)階段新能源汽車電池?zé)崾Э胤雷o措施種類及原理

現(xiàn)階段新能源汽車電池?zé)崾Э胤雷o的原理為：從不同層面阻隔熱失控，防護措施可簡單分為材料、電芯、模組、系統(tǒng)四類。

4.2.1 材料

選擇安全性較高的電池材料可降低熱失控現(xiàn)象的發(fā)生率。磷酸鐵鋰材料滿足相關(guān)目標，所以，當前的新能源汽車電池劃分為了兩種技術(shù)路線，一為繼續(xù)采用高鎳三元電池，其通常被應(yīng)用于高續(xù)航車輛中，但安全性能較差；二為采用磷酸鐵鋰電池，其與前者相比具有安全性能高、價格低廉的優(yōu)勢，但其不足也相對明顯，即：能量密度低。

從新能源汽車電池?zé)崾Э胤婪矫鎭砜矗F鋰材料明顯優(yōu)于三元材料。具體而言，磷酸鐵鋰在400℃以上出現(xiàn)顯著的放熱峰，熱穩(wěn)定性較強；鎳三元材料的放熱峰出現(xiàn)在230℃、306℃，熱穩(wěn)定性較差。所以，可采用磷酸鐵鋰材料增加電池安全，做好新能源汽車電池?zé)崾Э胤雷o工作。

4.2.2 電芯

電芯為構(gòu)成電池的最小單位，指的是含有正、負極的電化學(xué)電芯。在電芯內(nèi)部進行熱失控防護時存在較大難度，因為其為電池的最小模塊，而高能量密度與續(xù)航有關(guān)，所以車企以高能量密度為目標，其設(shè)計日趨逼近極限。因此，電芯空間較小，無法增加防護措施。為解決這一問題，將新能源汽車電池?zé)崾Э胤雷o工作落到實處，車企進一步增大了電芯尺寸、提高了能量密度，并在其內(nèi)部填充了大量的活性物質(zhì)，導(dǎo)致電芯內(nèi)部設(shè)計逼近極限。發(fā)現(xiàn)該問題后，車企轉(zhuǎn)向其他方向繼續(xù)研究。目前，在電芯內(nèi)部增加防護措施的方式正逐步被車企所放棄，模組級熱失控防護措施得到了推廣應(yīng)用。

4.2.3 模組

模組，指的是電芯組合排列后形成的整塊電池系列組合。模組熱失控的關(guān)鍵是阻止電芯間的熱擴散。以某汽車的模組熱失控防護設(shè)計為例，其通過不同圓柱電池的排列組合成模組。采用圓柱電池可最大限度地減少電池間的接觸面積，可為電池間排布水冷管、隔熱棉提供便利，從而達到阻止電芯熱擴散的目的。

4.2.4 系統(tǒng)

系統(tǒng)級熱失控方案是指從汽車整體結(jié)構(gòu)出發(fā)進行熱失控防護。就目前情況而言，系統(tǒng)級熱失控方案有布置熱感應(yīng)監(jiān)測裝置、增加應(yīng)急冷卻系統(tǒng)兩種。

布置熱感應(yīng)監(jiān)測裝置的目的是監(jiān)測汽車電池放熱情況、判斷車載電腦，若出現(xiàn)失控風(fēng)險，可及時予以提醒，使駕乘人員快速逃生。

增加應(yīng)急冷卻系統(tǒng)可通過灌注冷卻液阻斷熱失控反應(yīng)。比如，可在電池泄壓閥上方布置應(yīng)急冷卻系統(tǒng)，當發(fā)生熱失控現(xiàn)象時，可迅速灌注冷卻液，避免電池進一步反應(yīng)。但其需占據(jù)電池空間，所以其在追求能量密度的“競賽”中的競爭力較弱。此外，增加應(yīng)急冷卻系統(tǒng)的復(fù)位費用較高。即：一旦應(yīng)急冷卻系統(tǒng)啟動，冷卻液裝置、電池模組等皆需進行更換，且需對汽車進行清潔、維修。

5 新能源汽車電池?zé)崾Э胤雷o措施發(fā)展路徑

目前，新能源電池?zé)崾Э胤雷o措施的桎梏主要為：能量密度與安全的平衡。雖然磷酸鐵鋰材料、應(yīng)急冷卻系統(tǒng)皆可提高動力蓄電池安全性能，但其犧牲了能量密度，導(dǎo)致新能源汽車的續(xù)航里程受到了影響。而新能源汽車的痛點一直是續(xù)航里程，而且消費者具有里程焦慮。因此，新能源車企的未來技術(shù)發(fā)展路線為：盡可能提高續(xù)航里程、動力蓄電池安全性。

新能源汽車電池?zé)崾Э胤雷o措施發(fā)展路徑有三，一為采用新型材料改善熱穩(wěn)定性，盡可能提高續(xù)航里程、動力蓄電池安全性；二為使用復(fù)合集流體替代傳統(tǒng)集流體，增強電池阻燃性，提高電池能量密度；三為使用固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)電解質(zhì)，在提高電池?zé)岱€(wěn)定性的同時減少漏液現(xiàn)象發(fā)生率、提高能量密度。

5.1 采用新型材料改善熱穩(wěn)定性

除磷酸鐵鋰材料、鎳三元材料外還有很多化學(xué)材料，相關(guān)工作人員可對化學(xué)材料進行進一步的研究及探索，盡可能提高續(xù)航里程、動力蓄電池安全性。比如，可嘗試運用磷酸錳鐵鋰材料為電池材料，磷酸錳鐵鋰材料可充分提高材料的熱穩(wěn)定性，且其與磷酸鐵鋰材料相比具有更高的能量密度。此外，該材料可與鎳三元材料混用，可在提高電池安全性的同時借助鎳三元材料保障新能源汽車的續(xù)航里程。

5.2 使用復(fù)合集流體替代傳統(tǒng)集流體

電池上的集流體是指金屬箔。傳統(tǒng)集流體材料多為銅箔、鋁箔，其占電池單體重量的15%左右，且易引發(fā)電池?zé)崾Э厥鹿?。基于此，相關(guān)專家及學(xué)者提出復(fù)合集流體的概念，并鼓勵車企使用復(fù)合集流體替代傳統(tǒng)集流體。復(fù)合集流體隸屬于疊層結(jié)構(gòu)，中間支撐體層材料為滌綸樹脂、聚萘二甲乙二醇酯、聚丙烯，支撐體層兩側(cè)采用的材料為金屬鍍層。同時，中間層添加了溴系阻燃劑、含溴磷酸酯、阻燃滌綸樹脂，因此其具有較強的阻燃性。此外，其可充分減輕集流體重量，進一步提高電池能量密度。

5.3 使用固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)電解質(zhì)

固態(tài)電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性較高。而新能源汽車電池?zé)崾Э胤雷o需以提高熱穩(wěn)定性為入手點，所以，可使用固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)電解質(zhì)達到良好的防護目的。此外，使用固態(tài)電解質(zhì)的電池電壓平臺高于使用液態(tài)電解質(zhì)的電池電壓平臺，且其與高壓電極材料具有較強的適配性，能夠充分提高電池能量密度。這是因為固態(tài)電解質(zhì)不具備流動性，不會出現(xiàn)漏液現(xiàn)象，并能在一定程度上降低電池重量、體積，所以有望提高能量密度。

不過，固態(tài)電解質(zhì)電池的應(yīng)用方面也面臨著一些問題，比如：導(dǎo)電率較低，無法做到快速充電；又如，物理表面接觸性較差，對其電化學(xué)性能的發(fā)揮造成了影響，而且嚴重時可對固態(tài)電池的使用壽命造成影響。因此，相關(guān)工作人員需進一步對固態(tài)電解質(zhì)進行研究，以期早日實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)、運用。

6 結(jié)語

綜上所述，新能源汽車可減少汽車尾氣排放，為人類的可持續(xù)發(fā)展提供保障。但隨著其投入使用，新能源汽車的安全問題越發(fā)受到社會各界的關(guān)注。由于自燃事故為主要的新能源汽車事故，動力電池?zé)崾Э厥切履茉雌囎匀际鹿实闹饕?，所以上述進行了深入研究，提出了兩個防護措施，即：國家進一步設(shè)置強制性國家標準，通過強化新能源汽車安全要求加強監(jiān)管約束；車企從材料、電芯、模組、系統(tǒng)四個方面入手對電池?zé)崾Э剡M行阻隔。不過，新能源電池?zé)崾Э胤雷o措施的桎梏主要為：能量密度與安全的平衡，所以，車企需進一步進行研究，在提高續(xù)航里程的同時為汽車動力蓄電池的安全性提供保障。

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