新能源汽車鋰離子電池的安全問題分析與探索

陳繼永，盧欣欣

（江蘇工程職業技術學院，江蘇 南通226007）

在當前國家政策的支持下，新能源汽車產業得到了快速發展，在鋰離子電池的應用過程中也出現了許多由于維護保養不當所引發的安全事故。因此需要對目前鋰離子電池應用于新能源汽車的安全問題作出分析，并積極研究有效措施保證鋰離子電池的安全使用。

1 鋰離子電池的組成材料與結構

鋰離子電池的主要組成部分包括正極、負極、隔膜和電解液，上述材料通過特定的方式進行卷繞與堆疊，從而組成電池的外形。目前電動汽車所采用的鋰離子電池主要包括三元鋰離子電池與磷酸鐵鋰離子電池兩種，其中三元鋰離子電池正極材料由鎳、鈷、錳三種材料按照特定的比例組成，負極材料由石墨組成。在鋰離子電池的組成材料當中，電解液對電池的安全性能具有顯著影響，電解液的成分包括有機溶劑、鋰化合物與其他添加劑。其中常見的電解液溶劑包括環狀碳酸酯和鏈狀碳酸酯等，鋰化合物主要有LiPF6、LiClO4、LiBF4等，另外還包括各種類型的添加劑，能夠起到改善電池性能的作用[1]。

2 新能源汽車鋰離子電池的安全問題及解決措施

2.1 新能源汽車鋰離子電池的安全問題

在新能源汽車的應用過程中，鋰離子電池的主要安全問題為熱失控問題，在溫度達到70～120℃時，電池會發生鼓脹現象，當溫度繼續升高到150-200℃時，則會出現燃燒和爆炸事故。造成這一問題的原因在于電池進行充電和放電時，內部發生化學反應生成熱量，如果此時不能有效散熱，就會由于熱量累積，使電池當中的反應加速，最終導致熱失控問題。造成這一安全問題的具體原因主要包括兩方面，一方面是由于電池的材料與生產工藝問題，另一方面是由于電池的使用方法不當。

（1）電池材料與生產問題。鋰離子電池材料當中，不同的材料會對電池的發熱能力產生不同影響。在鋰離子電池組成材料存在質量問題，以及在生產過程中出現雜質，都容易造成電池的安全問題。其中電池的正極材料在氧化狀態下進行放熱分解同時產生氧氣，負極材料在嵌鋰狀態與高溫條件下與電解液反應。電解液本身含有易燃性很強的有機溶劑，在高溫狀態下很容易造成安全事故。同時，電池的生產工藝比較復雜，如果在電池的生產中電池內部含有金屬雜質和毛刺，也會對電池的安全性能造成嚴重影響。

（2）使用過程問題。鋰離子電池安全問題的最主要因素為電池的使用方式不當，主要原因包括過充、過熱和機械損壞。

過充是造成鋰離子電池安全問題的一項重要原因，根據相關研究，隨著鋰離子電池所處的環境溫度升高，以及電池的充電循環次數增加，電池過充的危險性也逐漸加大。同時，鋰離子電池在過度充電狀態下，負極表面容易產生鋰枝晶現象，如果鋰枝晶穿透電池隔膜，就會造成正負極直接接觸，引起短路和起火現象。

由于鋰離子電池的組成成分具有很強活性，在遇到撞擊時，很容易引起熱失控問題。在新能源汽車的使用過程中，如果電池包受到撞擊發生變形和損壞，就會引起電池的安全事故。

2.2 新能源汽車鋰離子電池安全問題的解決措施

（1）改進電池材料與配件。鋰離子電池的安全問題與電池本身的材料存在密切關系，因此可以通過改進電池材料，增強鋰離子電池的穩定性，提升安全性能。其中可以分別對電池的正負極、電解液和隔膜材料進行優化。

目前鋰離子電池正極所用材料主要有三元材料、改性錳酸鋰和磷酸鐵鋰等，不同材料在安全性能、成本和使用壽命方面具備不同特性。電池的電解液與隔膜材料對于電池安全性能具有關鍵影響，其中可以通過在電解液中添加阻燃添加劑，提升電解液的穩定性。電池的隔膜材料具有防止正負極接觸從而避免短路的重要作用，具體應選用具有良好熱穩定性的涂層隔膜，比如在隔膜的制作過程中采用的濕法抄紙技術，在抄紙過程中加入阻燃劑，制成可再生的阻燃纖維素基復合隔膜，以及纖維素/聚芳砜酰胺復合隔膜，能夠顯著提高隔膜的安全性能。

（2）提高電池散熱能力。鋰離子電池的安全性能主要受溫度影響，在溫度過高狀態下，會降低電池的使用壽命，并造成安全事故，因此要采取有效的方式提升電池的散熱性能。具體應加強熱管理技術的運用，對電池運行過程中的溫度進行合理控制。新能源汽車可以采用氣體冷卻、液體冷卻、熱管冷卻、相變材料冷卻以及多種方式結合進行冷卻的方法。其中，氣體冷卻主要包括自然對流、強制對流兩種冷卻方法，前者是借助空氣自身密度原因造成的自然流動，后者是指依靠機械設備，通過加快空氣的流動速度起到散熱作用，例如風扇是一種常用的強制對流方式。氣體冷卻方法具有成本較低、安裝過程簡便的特點，但這一方式的主要問題在于空氣的流入和流出過程中，本身會產生溫度變化，容易對電池的一致性造成不利影響。

液體冷卻是指運用具有高導熱效率的液體進行冷卻的方法，液體冷卻相對于氣體冷卻的效率提升1.5倍以上，冷卻液一般采用水和乙二醇等。在具體應用上，可以對液體進行密封，然后直接接觸電池進行散熱。還可以將裝有冷卻液的管道設置在電池模組周圍，并通過熱交換裝置和水泵調節溫度。

相變材料冷卻既能夠起到快速傳導熱量的作用，也能夠對熱量進行有效吸收。目前這一技術處于研究階段，成本和安裝方式相對較為復雜。

（3）設置監測系統和保護系統。電動汽車電池監測系統能夠實現對電池電壓、電流和溫度的有效監控，從而使電池保持正常運行狀態。比如可以利用溫度與電壓之間的關系，首先監測單體電芯的溫度上升幅度，而后改變電壓，計算電壓下降速率，在下降速率小于0.2V/min時，說明此時處于過熱狀態，最后通過警報作出預警。除此之外，還要加強對于電池安全狀態的監控，從而快速發現電池的異常問題。具體包括對電池破損的監控、內壓增大與變形的監控等。目前國內外許多研究機構都進行過電池安全狀態監控技術的研究，如日本NEC公司和我國東莞新能源電子科技有限公司等，電動汽車電池安全狀態監控技術目前仍然處于研究階段。

對于鋰離子電池由于外部撞擊引起的安全問題，可以設置相應的電池包保護系統，防止外部撞擊引起電池變形或破損。比如一種保護框架在正常狀態下包裹于電池外側，具有能夠活動的結構，在受到撞擊時產生形變，起到保護電池的作用，該裝置最高可承受16.2m/s的撞擊速度。

（4）合理進行保養和使用。在應用技術手段解決電池安全問題的基礎上，還要在電動汽車的使用過程中合理進行電池的保養和維護，避免由于使用不當造成安全問題。首先要定期檢查電池固定螺栓和其他固定裝置的牢固程度，避免在行駛過程中出現接觸不良，還要嚴格按照使用說明進行電池充放電，避免在高溫條件下充電，最后要定期進行檢修工作。

3 結 語

新能源汽車主要應用鋰離子電池進行供電，鋰離子電池由于自身結構和性質，在溫度過高的情況下容易造成安全問題。針對這一問題，需要運用改進電池材料、加強散熱和監測保護技術提升電池運行穩定性，此外還要對電池進行合理的保養和使用。