電動汽車鋰（動力）電池火災研究分析與對策

董學鵬 程書國

消防救援總隊 安徽合肥 230000

電動汽車大致分為純電動汽車、燃料電池電動汽車和混合動力電動汽車。電動汽車的一個共同特點是汽車完全或部分由電力通過電機驅動，能夠實現低排放或零排放。電動汽車的應用不僅能夠滿足人們的出行需要，同時還能保護環境節約能源，這使得我國政府大力推進電動汽車的應用。但人們對電動汽車的安全性存在質疑，尤其是在近些年頻頻出現消防安全事故的情況下。為了改變這一局面，應當加強電動汽車火災的研究。

1 電動汽車動力電池火災特點

電動汽車上使用的動力電池是一種儲能裝置，極易受到外界環境刺激和自身缺陷的影響而發生熱失控，造成火災或爆炸等災害性事故。動力電池是電動汽車的核心部件，也是電動汽車中最大的火災危險源，研究動力電池的火災對于理解電動汽車火災至關重要！電動汽車動力電池火災具有如下特點：

1.1 燃燒迅速，持續時間長

根據NFPA（美國消防協會）的實驗，動力電池著火時，火勢僅僅數秒鐘的時間就在動力鋰離子電池模塊內快速地蔓延，整個燃燒持續約27min。在對某種動力電池進行穿刺使其內部發生短路的實驗中，發現在穿刺時會冒出氣體；經過1-2秒將會噴出火焰，并且火焰持續升高。這充分說明了一旦電池內部發生熱失效，其將迅速燃燒，且時間較長。

1.2 燃燒溫度較高

動力電池一旦出現燃燒現象，其燃燒不僅迅速，還會釋放出大量的熱能。根據NFPA的實驗，燃燒中電池外部最高溫度可達283℃-1090℃，電池內部的溫度可達572℃-1121℃，如此高的溫度足以引燃電池模塊內部和汽車內的其他可燃材料，產生更大的火災，最終造成嚴重的生命財產危害。

1.3 燃燒猛烈

燃燒猛烈也是動力電池火災的一大特點。在上述穿刺實驗中，確定動力電池燃燒能夠擴散5m的距離，并且噴射大量的火焰，如此猛烈的燃燒，必然會給周圍造成嚴重的破壞。

1.4 釋放大量有毒有害氣體

在對上述穿刺實驗進行觀察的過程中，還發現動力電池燃燒會釋放大量的氣體。經過相關調查，確定所釋放的氣體中含有大量的烯烴、烷烴、醚等化合物，這些物質均具有不同程度的毒性。

1.5 撲救困難

對于動力電池而言，大部分燃燒反應發生在電池外殼內部，電池外殼阻礙了滅火劑發生作用，電動汽車動力電池一旦著火撲救將十分困難。

1.6 不同類型的動力電池有著不同的火災特點

磷酸鐵鋰體系：需要外部火源才能引發火災，反應速度緩慢，發煙量巨大。

三元電池體系：噴射火，無需外部火源，反應速度快，發煙量相對較少，燃燒溫度高，通常伴隨內部物質飛出。

對近5年來公開報道的電動汽車起火事件進行梳理，根據統計結果，有以下趨勢：

電動客車的起火頻次和占比自2015年開始，逐年減少，這與2016年初三元電芯被禁止用于電動客車，以及后續頒布的相關安全管理政策法規相關；

乘用車發生起火的頻次和占比總體上升，2015、2016年車輛大多為客車，乘用車是后面才上量，基數上來了是一個因素；另外，這兩年，大多采用的是三元電芯；

物流車變化的趨勢與乘用車類似，物流車的起量也相對晚，物流車近2年的起火事故增加較多。

2 電動汽車動力電池結構特點及工作原理

電動汽車動力電池的直接作用是為電動汽車提供動力來源的電源，目前主要采用磷酸鐵鋰體系和三元體系鋰電池。

2.1 動力電池結構特點

動力電池的結構可以分為三層：電池單體、電池模組和動力電池系統。

電池單體，構成動力電池的最小單元，是直接將化學能轉化為電能的基本單元裝置，包括電極、隔膜、電解質、外殼和端子，并被設計成可充電的。

電池模組，將一個以上電池單體按照串并聯方式組合，且只有一對正負極輸出端子，并作為電源使用的組合體；由電池單體和模塊控制器組成，作為動力電池中的一個小模塊。

動力電池系統，由電池模組、控制單元、采集系統、冷卻系統以及其他機械裝置構成的總成，是電動汽車中最重要的核心部件。

2.2 動力電池工作原理

電池單體主要由正極材料、負極材料、電解質和隔膜組成，主要依靠Li+在兩個電極之間的充放電往返嵌入和脫嵌工作。電池充電時，正極材料中的鋰脫出來，穿過隔膜進入到負極石墨中；電池放電時，鋰離子又從負極石墨中脫出來，穿過隔膜回到正極材料中。

電池一般采用含有鋰元素的材料作為正極材料，但有些材料化學穩定性和熱穩定性較差，在過充、撞擊、短路過程中很容易引發火災及爆炸事故。除了正極材料外，負極材料的好壞直接影響鋰離子電池的性能，傳統碳負極材料易在電解液中形成固體電解質界面膜，引起初始容量的不可逆損失，降低首次充放電的效率，其次，由于碳負極的電位接近金屬鋰的電位，當電池過充時，碳負極表面易析出金屬鋰，從而可能形成鋰枝晶，引起短路。

目前，電動汽車中最常見的動力電池是鋰電池，而鋰電池又主要分為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。磷酸鐵鋰電池具有安全性能高、高溫性能好、大容量、無記憶效應、重量輕等優點，但同時，其能量密度低，一致性差。三元鋰電池具有能量高、額定電壓高、具備高功率承受力、自放電率低、重量輕、高溫適應性強等優點，但其安全性差、不能大電流放電、生產要求高、成本高、高低溫使用危險大。

3 電動汽車動力電池火災危險性分析

電動汽車動力電池之所以能夠發生上述特點的燃燒現象，與動力電池的特性及燃燒規律有很大關系。動力電池起火的主要原因是電池過熱而造成的熱失控。電動汽車由于充電以及出現意外事故，造成系統擠壓、竄動、開裂、熱沖擊、漏電、燃燒、爆炸等，從而引起電池熱失控，進而引發火災。究其原因，總體上來說分為外部原因和內部原因兩種。

3.1 外部原因

高溫熱沖擊。電池直接暴露在高溫環境下，影響電池的循環使用壽命和安全性，電池可能會發生短路。

過充電。電池在充電過程中會有少量的熱量產生，正常充電時由于溫度上升慢，散熱及時不會發生危險。但是發生過充電時，電池溫度會升高較快，促使電解液發生氧化分解，反應產生的熱量又加劇電池內部的溫升，如此反復循環，電池極易發生熱失控。

機械濫用。機械濫用包括穿刺、擠壓、跌落、震動等情況，實驗證明，這些情況下電池有極大的可能性發生短路，并且瞬間釋放大量的熱。

浸水。當電動車遇到暴雨或其他涉水情況，電池包一旦密封性能不足時，電池間的接線可能會由于水或者水汽侵蝕，造成短路。一旦短路，電池溫度迅速升高，引起燃燒或者爆炸的可能性就很大。

3.2 內部原因

大量試驗結果證實，電池內部短路是導致正常使用條件下的電池發生燃燒、爆炸等危險行為的主要原因。常見的導致電池內部短路的因素包括：

（1）吸附在隔膜表面的導電粉塵。這是導致電池發生內部短路并最終發生火災的最大隱患。當沒能嚴格地控制電池裝配車間環境，空氣中就會存在大量激光焊接粉塵和極片粉塵。這些漂浮的粉塵有可能由于靜電作用而吸附于隔膜表面，卷繞時夾雜在正負極之間。

（2）電池卷芯的正負極片有錯位。設計電池極片時，負極片往往比正極片寬0.5mm-1mm，其目的是保證電池電芯中負極與之相對的正極邊緣寬0.25mm-0.5mm，避免電池充電過程中負極邊緣發生析鋰現象。但在卷繞過程中沒有精確地控制極片位置使得部分正極邊緣較負極凸出，充電時很有可能析出鋰，而發生內部短路。

（3）極片有毛刺。如果極片分切時極片邊緣存在毛刺，并且在電池生產過程中并未造成直接的內部短路，往往因不能被發現而作為合格產品出廠。但在電池使用過程中，可能由于厚度不斷膨脹收縮導致毛刺刺破隔膜而發生內部短路，從而引發安全性事故。

（4）負極表面析鋰。為避免負極表面析鋰，電池設計時負極片容量往往較正極片高5%-10%。由于負極表面存在空白涂點或者涂布不均，很有可能造成局部正極容量高于負極。這一部分負極表面在充電過程極易發生金屬鋰的析出現象,從而有可能造成電池內部短路。此外，電池低溫充電或大電流充電時也非常容易導致負極表面析鋰，造成內部短路。

4 電動汽車動力電池研究對策

動力電池的安全關系到很多方面，要從電池設計、制造、全生命周期管理，材料科學，車輛設計等多方面采取措施，才能真正有效的提高電動汽車動力電池的安全性。

在動力電池使用過程中，電池單體的一致性決定了電池模組的安全性。一致性偏差越大，動力電池的安全性就越差。同時，這種一致性的要求，不僅體現在新電池方面，對于電池生命周期的中后段要更加重視一致性的管控，因為經過多次使用后，電池單體的變化會很大，幾千個電池單體間的差異會變大。差異越大，電池發生熱失控的風險就越大。

鋰電池在充放電和存儲過程中，存在著溫度、電流、電壓上的安全工作區間。有必要對鋰電池進行有效的監控、管理，保證其在安全的溫度、電流、電壓區間內工作。

對于動力電池,熱失控是最嚴重的安全事故,電池熱失控一旦發生，很難終止其反應，需要在熱失控發生初期進行階段性預警，可以采取不同防護手段抑制熱失控的傳播，如強化電池冷卻系統、覆蓋隔熱層、隔絕空氣來起到窒息作用等。

基于上述研究分析，建議加強以下幾方面的對策研究，提高電動汽車動力電池的安全性。

（1）開發更好的電極材料、電解質材料、隔膜材料，提高其熱失控溫度；

（2）設計合理的結構，強化電池的散熱，做好動力電池的熱管理及結構安全防護；

（3）加強電池全生命周期內的一致性管控的研究，特別是中后期的；

（4）嚴格控制電池單體的品質，加強生產管控。

5 結語

隨著電動汽車數量的持續增加，電動汽車的火災安全性問題日益凸顯，鋰（動力）電池作為電動汽車最為關鍵的零部件，同時也是電動汽車所特有的主要火災危險源，其本身的安全性越來越重要！建議持續地深入研究相關安全對策，不斷提高動力電池的安全性，降低火災風險，減少人民群眾生命和財產損失。