新能源汽車(chē)鋰離子動(dòng)力電池安全性分析

劉俊

摘 要：新能源汽車(chē)行業(yè)近年來(lái)風(fēng)生水起，受到了全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注和重視。特別是電動(dòng)汽車(chē)，因其環(huán)保、低排放等特點(diǎn)備受青睞。而動(dòng)力電池作為驅(qū)動(dòng)這些車(chē)輛行駛的心臟部件，自然成為了人們研究和關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，隨著電動(dòng)車(chē)輛的快速增長(zhǎng)，相關(guān)的安全問(wèn)題也隨之浮現(xiàn)，特別是涉及動(dòng)力電池的安全性問(wèn)題，已成為制約新能源汽車(chē)發(fā)展的一大痛點(diǎn)。本文將針對(duì)新能源汽車(chē)鋰離子動(dòng)力電池安全性展開(kāi)詳細(xì)分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē) 鋰離子 動(dòng)力電池 安全性

新能源汽車(chē)在充電、行駛、甚至遭遇交通事故的過(guò)程中出現(xiàn)的動(dòng)力電池自燃或起火現(xiàn)象尤其讓人擔(dān)憂。這些火災(zāi)事故不僅會(huì)導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失，更有可能危及人身安全，給車(chē)主及周?chē)巳簬?lái)重大風(fēng)險(xiǎn)。因此，電動(dòng)汽車(chē)鋰離子動(dòng)力電池的安全性問(wèn)題引發(fā)了廣泛的社會(huì)關(guān)注，成為業(yè)界亟待解決的重要課題。為了保證新能源汽車(chē)的安全性，對(duì)鋰離子動(dòng)力電池進(jìn)行深入的安全性分析和研究是非常必要的。這不僅包括了解和評(píng)估鋰離子動(dòng)力電池在設(shè)計(jì)、制造、使用和廢棄等全生命周期中可能出現(xiàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)，還涉及到采取有效的預(yù)防措施來(lái)降低事故發(fā)生的幾率。

1 鋰離子動(dòng)力電池工作原理

鋰離子動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車(chē)的能量之源，其結(jié)構(gòu)與功能復(fù)雜且精巧。它主要構(gòu)成包括若干鋰電池模組、外圍的箱體、安全設(shè)施（如防爆閥）以及溫度調(diào)節(jié)用的加熱片等。同時(shí)，可將這些鋰電池模組視為動(dòng)力電池的“心臟”，而這些模組本身，則是由許多串聯(lián)、并聯(lián)或二者結(jié)合的鋰離子電池單體所組成。鋰離子電池，作為動(dòng)力電池的基本構(gòu)建單元，具有其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和工作原理。它由正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液和電池殼體等部分組成。在工作時(shí)，鋰離子在正負(fù)極之間移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移。因其工作方式類似于搖椅，即電荷在兩端來(lái)回“搖擺”，因而得名“搖椅型”電池。在電池充電過(guò)程中，當(dāng)外部電壓施加在電池兩極上時(shí)，鋰離子會(huì)從正極材料中釋放并進(jìn)入電解液，在隔膜的指引下向負(fù)極移動(dòng)。這一過(guò)程中，會(huì)有多余的電子通過(guò)正極的集流體，沿著外部電路流向負(fù)極。同時(shí)，鋰離子穿越電解質(zhì)，最終抵達(dá)負(fù)極，嵌入負(fù)極的石墨層中，并與那里的電子結(jié)合，完成充電過(guò)程。放電過(guò)程則是充電動(dòng)作的逆流程。此時(shí)，鋰離子從負(fù)極的石墨層中釋出，穿越充滿電解液的隔膜，再次向正極移動(dòng)。伴隨著鋰離子的移動(dòng)，會(huì)有電子通過(guò)外部電路從負(fù)極向正極流動(dòng)，為外部電路提供動(dòng)力。鋰離子抵達(dá)正極后，進(jìn)入正極材料中，并與正極的電子重新結(jié)合。這個(gè)在充電與放電期間，鋰離子在電池內(nèi)部正負(fù)極之間往返的過(guò)程，不僅支持了電池存儲(chǔ)能量和釋放能量的功能，而且也保證了電動(dòng)汽車(chē)的穩(wěn)定運(yùn)行。正是這種特殊的工作機(jī)制，使得鋰離子動(dòng)力電池成為電動(dòng)汽車(chē)等新能源設(shè)備不可或缺的部分。

2 新能源汽車(chē)鋰離子動(dòng)力電池安全性測(cè)試

2.1 電池包性能安全檢測(cè)

鋰離子動(dòng)力電池作為現(xiàn)代電子產(chǎn)品及新能源汽車(chē)中不可缺少的能量來(lái)源，其充放電特性直接影響電池的使用壽，命和性能。在鋰電池包充電過(guò)程中，一般使用專門(mén)的電池充放電機(jī)設(shè)備來(lái)對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電。此設(shè)備不僅能確保充電過(guò)程的穩(wěn)定性，還能通過(guò)內(nèi)置的程序自動(dòng)調(diào)整充電速率和電壓，避免電池因過(guò)度充電而損壞。在充電大約2到3小時(shí)后，需測(cè)定電池的總?cè)萘勘３致?，即電池充滿電后，其容量是否能達(dá)到初始總量的100%。這一步驟對(duì)于評(píng)估電池的充電效率和健康狀況極為重要。目前，對(duì)鋰電池包進(jìn)行充放電試驗(yàn)，通常采取恒流-恒壓充電和恒流放電兩種方式，采集試驗(yàn)時(shí)間、電壓、電流等測(cè)試數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，從而對(duì)其容量、庫(kù)倫效率、充放電平臺(tái)等進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。在對(duì)鋰電池封裝的實(shí)際電容進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，盡可能采用低速率的充放電方式，以減少極化引起的電容變化，從而獲得真正的儲(chǔ)能容量。試驗(yàn)時(shí)通常選用0.1C。在拆裝試驗(yàn)設(shè)備時(shí)，工作人員必須戴隔離手套、面罩、保護(hù)眼睛。因試驗(yàn)通道眾多，試驗(yàn)用電池、試驗(yàn)通道要做專用標(biāo)識(shí)，有關(guān)儀表前面要有明顯的標(biāo)注，以免別人誤動(dòng)。

充電性能的檢驗(yàn)，放電性能的檢測(cè)同樣不可或缺。這一過(guò)程同樣利用電池充放電機(jī)設(shè)備來(lái)進(jìn)行，目的在于評(píng)估電池在實(shí)際使用中的表現(xiàn)。為了確保鋰離子動(dòng)力電池在放電過(guò)程中有足夠的鋰離子，從而維持其性能和壽命，要對(duì)放電終止的最低電壓進(jìn)行嚴(yán)格控制。在常規(guī)溫度條件下，標(biāo)準(zhǔn)的充放電電流被設(shè)定為1C（即電池容量的一倍電流）。對(duì)電池進(jìn)行500次充放電循環(huán)后，其容量保持率應(yīng)不低于初始容量的90%。這一標(biāo)準(zhǔn)顯示了鋰離子電池在經(jīng)過(guò)一定周期使用后，能夠維持其初始容量，從而保證了其長(zhǎng)期的使用性能。另外，這些充放電條件和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)可以確保鋰離子動(dòng)力電池在長(zhǎng)期使用過(guò)程中仍能保持高效能和安全性。通過(guò)精確控制充電電壓及嚴(yán)格監(jiān)測(cè)電池的容量保持率和循環(huán)后的性能變化，可以顯著延長(zhǎng)鋰離子動(dòng)力電池的使用壽命，并減少因性能下降導(dǎo)致的電池報(bào)廢。此外，還有利于提升用戶對(duì)新能源產(chǎn)品的信任度和滿意度，為可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)。

目前，鋰電池包溫度測(cè)試主要有溫差耦合和紅外圖像等，而這兩種方式都有各自的缺點(diǎn)。由于采用金屬線作為熱偶，會(huì)造成電池模塊內(nèi)部的短路，另外，由于金屬材料本身的硬度，在安裝與操作上也存在一定的困難。紅外熱成像是利用被測(cè)物體發(fā)出的紅外線來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它只能對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行大致的溫度測(cè)定，并且需要根據(jù)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行修正?；诓祭窭w維的特點(diǎn)，采用UV光刻技術(shù)，在纖維表面制備出具有周期缺陷的周期型位相柵，稱為“FBG”。在布拉格狀態(tài)下，入射到布拉格光柵中的光將產(chǎn)生選擇性的折射。FBG的柵極間距在光纖軸線方向上呈一定的排列，外部環(huán)境的改變會(huì)引起FBG的縱向應(yīng)力和折射率的變化，從而使其波長(zhǎng)發(fā)生相應(yīng)的變化。通過(guò)解調(diào)回反射光的波長(zhǎng)，得到中心波長(zhǎng)的位移，再由測(cè)試系統(tǒng)的軟件來(lái)求取對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)。

綜上所述，對(duì)鋰離子動(dòng)力電池進(jìn)行充放電控制、溫度和性能檢測(cè)，不僅是保護(hù)電池安全的必要措施，也是提升整個(gè)新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和市場(chǎng)認(rèn)可度的關(guān)鍵步驟。

2.2 電池安全測(cè)試

在新能源電池包實(shí)際應(yīng)用中，需確保其在各種極端環(huán)境下的安全性。為此，要對(duì)電池包本體進(jìn)行一系列全面的測(cè)試，這些測(cè)試旨在模擬電池在實(shí)際使用過(guò)程中可能遇到的各種情況，比如機(jī)械沖擊、極端溫度、潮濕環(huán)境以及低壓電器的穩(wěn)定性測(cè)試等。（1）針刺測(cè)試；通過(guò)模擬電池被尖銳物體刺穿的情況來(lái)評(píng)估電池的安全性。這一測(cè)試要求在電池被刺穿后，其內(nèi)部不能出現(xiàn)短路現(xiàn)象，并要特別觀察是否有起火或者爆炸的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。（2）鹽水浸泡測(cè)試；通過(guò)將電池長(zhǎng)時(shí)間浸泡在5%濃度的鹽水中，來(lái)評(píng)估電池對(duì)潮濕環(huán)境的抵抗能力，從而確保在濕潤(rùn)環(huán)境下電池的功能依然正常。在對(duì)電池的防水性能進(jìn)行測(cè)試時(shí)，通常采用兩種方法。一種是將動(dòng)力電池包浸泡在3.5%濃度的氯化鈉溶液中2小時(shí)；另一種是在保持電池包安裝狀態(tài)的條件下，將其完全浸沒(méi)電池最低點(diǎn)在水中1米持續(xù)30分鐘。之后將電池包取出，在一定試驗(yàn)環(huán)境下靜置2小時(shí)，以觀察是否有異?，F(xiàn)象發(fā)生。（3）火燒測(cè)試，它可以分為四個(gè)步驟實(shí)施。第一是預(yù)熱，即在距離火焰源3米處對(duì)電池包進(jìn)行60秒的預(yù)熱；第二是直接燃燒，在火焰下對(duì)電池包進(jìn)行70秒的直接加熱；第三是間接燃燒，即通過(guò)將電池包放置于耐火隔板上持續(xù)60秒的燃燒；第四是將電池包移開(kāi)火源，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度下或使電池包表面溫度降至45℃以下靜置2小時(shí)。在測(cè)試結(jié)束后，如果電池沒(méi)有發(fā)生爆炸或起火，且沒(méi)有火苗殘留，則可以認(rèn)為電池通過(guò)了測(cè)試。通過(guò)這些測(cè)試方法，可以有效評(píng)價(jià)新能源電池包在面臨針刺、濕潤(rùn)、防水和火源等多種外界環(huán)境因素時(shí)的反應(yīng)和安全性能。從而確保在日常使用及非常狀態(tài)下，電池包能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行，最大限度地減少安全風(fēng)險(xiǎn)，為用戶提供可靠的電力支持。

3 鋰離子動(dòng)力電池安全性試驗(yàn)

3.1 碰撞試驗(yàn)

在新能源汽車(chē)發(fā)展過(guò)程中，保證鋰離子動(dòng)力電池的安全性是至關(guān)重要的一環(huán)。為了確保這些電池在面對(duì)潛在的碰撞或沖擊時(shí)能夠穩(wěn)定運(yùn)作，不僅不影響其性能，而且能防止起火或爆炸等嚴(yán)重事故的發(fā)生，要進(jìn)行碰撞試驗(yàn)。碰撞試驗(yàn)的目的是通過(guò)模擬電池在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中可能遇到的撞擊和沖擊情景，進(jìn)而評(píng)估重復(fù)碰撞對(duì)鋰離子動(dòng)力電池可能造成的損傷。這種損傷是否會(huì)導(dǎo)致電池性能下降，或者更嚴(yán)重的，是否會(huì)引起火災(zāi)或者爆炸事故，都是此測(cè)試想要明確的問(wèn)題。同時(shí)，新能源汽車(chē)的實(shí)體結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)特性不允許直接進(jìn)行鋰離子動(dòng)力電池的安全性試驗(yàn)。在這種情況下，技術(shù)人員要根據(jù)汽車(chē)的運(yùn)行速度、電池系統(tǒng)特點(diǎn)、汽車(chē)總質(zhì)量、車(chē)身結(jié)構(gòu)以及使用材料的強(qiáng)度等多個(gè)因素，對(duì)動(dòng)力鋰離子電池進(jìn)行模擬碰撞和仿真試驗(yàn)。這種模擬碰撞的仿真試驗(yàn)并非簡(jiǎn)單的程序，它要對(duì)各種可能的沖擊角度、力度以及碰撞點(diǎn)位進(jìn)行全面考慮，確保在模擬碰撞過(guò)程中，鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)闆_擊而移位過(guò)大或結(jié)構(gòu)松動(dòng)。此外，模擬試驗(yàn)還要考慮到一系列的安全措施和緊急響應(yīng)方案，以確保測(cè)試即便在最極端的情況下也能安全進(jìn)行。通過(guò)精心設(shè)計(jì)和執(zhí)行這些碰撞試驗(yàn)和仿真模擬，可以大大提高新能源汽車(chē)在實(shí)際運(yùn)行中的安全系數(shù)。這不僅有助于制造商識(shí)別并修正潛在的結(jié)構(gòu)缺陷，防止事故發(fā)生，同時(shí)也為消費(fèi)者提供了一個(gè)重要的安全保障。另外，通過(guò)這些測(cè)試，可進(jìn)一步優(yōu)化電池的設(shè)計(jì)和布局，確保在遇到意外撞擊時(shí)，電池系統(tǒng)也能保持穩(wěn)定，維持車(chē)輛的正常運(yùn)行，從而在保障安全的同時(shí)推動(dòng)新能源汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展與普及。

3.2 針刺試驗(yàn)

在新能源汽車(chē)鋰離子動(dòng)力電池安全測(cè)試中，針刺試驗(yàn)扮演著極其重要的角色。這一測(cè)試的核心目的是為了評(píng)估當(dāng)動(dòng)力電池遭受穿透性損傷時(shí)的穩(wěn)定性及安全性。通過(guò)模擬現(xiàn)實(shí)中可能發(fā)生的銳物穿刺電池的情況，針刺試驗(yàn)為研究和改進(jìn)電池安全性提供了重要的數(shù)據(jù)與依據(jù)。試驗(yàn)要求見(jiàn)表1。在具體試驗(yàn)過(guò)程涉及使用鋼質(zhì)針按照既定的角度和速度穿透動(dòng)力電池，模擬外部銳器撞擊電池的場(chǎng)景。這種操作不僅會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部的隔膜和電極受到破壞，還會(huì)引發(fā)電池內(nèi)部短路，隨之產(chǎn)生的熱量可能導(dǎo)致電池溫度迅速升高。而針刺試驗(yàn)的核心要求是確保即便在這種極端情況下，動(dòng)力電池也不會(huì)出現(xiàn)爆炸或者起火的現(xiàn)象。因此在實(shí)際應(yīng)用中，新能源汽車(chē)可能會(huì)遇到各種極端情況，例如車(chē)禍導(dǎo)致的碎片穿刺電池箱。電池如果在這類情況下出現(xiàn)爆炸或起火，將會(huì)造成嚴(yán)重的安全事故，危及乘員及周邊人員的安全。因此，通過(guò)針刺試驗(yàn)評(píng)估電池在遭受銳物穿刺傷害時(shí)的反應(yīng)，對(duì)于提高電池整體的安全性至關(guān)重要。針刺試驗(yàn)不僅是一項(xiàng)安全性測(cè)試，同樣也為電池制造商提供了改進(jìn)產(chǎn)品的機(jī)會(huì)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，制造商可以識(shí)別電池設(shè)計(jì)中的弱點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化電池的結(jié)構(gòu)和材料，使其在面對(duì)類似的物理傷害時(shí)具有更好的穩(wěn)定性和安全性。此外，這種測(cè)試也為電池的安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定提供了科學(xué)依據(jù)，對(duì)于推動(dòng)行業(yè)內(nèi)電池安全性能的提升具有不可忽視的作用。

3.3 鹽霧試驗(yàn)

鹽霧試驗(yàn)對(duì)于新能源汽車(chē)鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)而言，是一項(xiàng)至關(guān)重要的耐用性和安全性測(cè)試。這個(gè)試驗(yàn)方法專門(mén)評(píng)估電池系統(tǒng)在面對(duì)鹽霧腐蝕環(huán)境時(shí)的表現(xiàn)及其對(duì)持續(xù)的鹽霧侵蝕的抵抗能力，同時(shí)驗(yàn)證了電池系統(tǒng)在極端條件下的安全運(yùn)行能力。進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)時(shí)，測(cè)試環(huán)節(jié)細(xì)致而嚴(yán)格。首先，鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)被放置在一個(gè)密閉的試驗(yàn)容器內(nèi)，以確保測(cè)試環(huán)境的穩(wěn)定性和一致性。試驗(yàn)期間，容器內(nèi)部的溫度被嚴(yán)格控制在35攝氏度，以模擬潮濕且熱帶的環(huán)境條件，因?yàn)檫@種環(huán)境條件最容易促進(jìn)腐蝕的發(fā)生。同時(shí)，采用pH值在6.5至7.2之間的鹽溶液進(jìn)行噴灑，這一濃度的鹽溶液既能有效地模擬海洋霧氣中的鹽分濃度，也能保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性與公正性。鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)在這樣的環(huán)境下暴露96小時(shí)，足以模擬長(zhǎng)期受鹽霧環(huán)境影響的情況，從而對(duì)電池的耐腐蝕性能進(jìn)行有效的檢驗(yàn)。試驗(yàn)完成后，并不是直接結(jié)束。電池系統(tǒng)需要通過(guò)自來(lái)水進(jìn)行沖洗，以去掉表面殘留的鹽分，然后再使用飲用水或蒸餾水進(jìn)行進(jìn)一步的漂洗，以確保鹽分被完全清除。在清洗過(guò)程完成后，電池系統(tǒng)需要放在標(biāo)準(zhǔn)的大氣環(huán)境中干燥1至2小時(shí)，以復(fù)原到接近正常使用狀態(tài)的環(huán)境中。在整個(gè)鹽霧試驗(yàn)過(guò)程中，鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐腐蝕性是被嚴(yán)格審視的。試驗(yàn)要求電池系統(tǒng)不僅要能夠抵抗鹽霧環(huán)境的侵蝕，還要保證在這種惡劣的條件下不會(huì)出現(xiàn)外殼劈裂、銹蝕、起火或爆炸、泄漏等任何一種破壞性行為。這些要求不僅能評(píng)估電池的耐腐蝕能力，更能保障電池的絕對(duì)安全性。通過(guò)進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，能夠準(zhǔn)確評(píng)估動(dòng)力電池系統(tǒng)在遭遇海洋霧氣及類似腐蝕性環(huán)境中的穩(wěn)定性和安全性。這一試驗(yàn)對(duì)于新能源汽車(chē)的長(zhǎng)期可靠性和安全性有著舉足輕重的影響，特別是對(duì)于那些經(jīng)常在沿海地區(qū)或腐蝕性環(huán)境下運(yùn)行的車(chē)輛來(lái)說(shuō)，其重要性不言而喻。鹽霧試驗(yàn)?zāi)艽_保動(dòng)力電池系統(tǒng)即使在最嚴(yán)苛的環(huán)境條件下，也能保持良好的性能和極高的安全標(biāo)準(zhǔn)，為新能源汽車(chē)的用戶提供更多的保障，增加了消費(fèi)者對(duì)新能源汽車(chē)技術(shù)的信任與依賴。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)新能源行業(yè)的蓬勃發(fā)展，作為新能源汽車(chē)心臟的鋰離子動(dòng)力電池的應(yīng)用也迎來(lái)了爆炸性增長(zhǎng)。它因其高效、環(huán)保的特性成為了新能源汽車(chē)的首選能源。然而，伴隨著其廣泛應(yīng)用的同時(shí)，新能源汽車(chē)的安全問(wèn)題也逐漸成為了公眾和行業(yè)內(nèi)聚焦的焦點(diǎn)。尤其是關(guān)于電池安全的事件屢見(jiàn)不鮮，讓人們對(duì)新能源汽車(chē)安全性能的關(guān)注度大大增加。提高新能源汽車(chē)鋰離子動(dòng)力電池的安全性是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要技術(shù)人員過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新和標(biāo)準(zhǔn)完善，配合有效的監(jiān)管和市場(chǎng)引導(dǎo)，為新能源汽車(chē)行業(yè)的健康發(fā)展?fàn)I造良好的環(huán)境。在此過(guò)程中，鋰離子動(dòng)力電池的安全性研究和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的建立和完善將扮演著極其重要的角色，為推動(dòng)新能源汽車(chē)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的保障。

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