電動汽車鋰電池內短路誘發熱失控的機理研究進展

范志強

摘 要：鋰離子動力電池具有高能量密度、長循環壽命、較低的自放電率等優點，已被大規模應用于新能源電動汽車產業。但是在實際使用中可能會出現過充電、過放電、機械擠壓、針刺以及過熱等異常狀態，引發鋰電池熱失控現象，使電動汽車有發生起火、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短路的發生。為此，本文對動力電池內短路誘發熱失控的機理展開研究，并著重分析國內外的研究現狀及相關的抑制手段。

關鍵詞：內短路;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，其在實際使用過程中可能會發生機械濫用（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，從而誘發熱失控現象。而這三種濫用情況發生過程中幾乎都會伴隨電池內短路的發生。為深入研究電池熱失控機理，防止熱失控現象的發生，本文研究了動力電池內短路誘發熱失控的機理及相關的抑制手段。

2 動力電池內短路發生的誘因

內短路是指電池單體由于隔膜失效而導致正負極直接接觸的現象。造成動力電池內短路發生的誘因主要分為三種，第一種為外部濫用造成的內短路，例如擠壓、穿刺等機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生的枝晶刺穿隔膜，以及熱濫用造成的高溫使隔膜發生收縮和折疊。第二種是電池制造過程中因材料含有的金屬雜質、環境中的粉塵、模切時產生的毛刺等問題導致電池缺陷。第三種是電池在應用過程中過于頻繁地進行低溫充電或充電電流過大導致負極表面析鋰，從而導致內短現象的發生。第二種和第三種情況產生的內短路程度一般比較輕微，且產生的熱量很少，不會立即觸發熱失控。

3 動力電池內短路誘發熱失控機理

電池發生內短路時根據自放電速率和產熱速率可分為三個不同的演化階段（圖1）。

內短路前期，電池發生了非常緩慢的自放電現象，其發展具有自限性，過程中幾乎沒有熱量產生，這時電池的壓降十分緩慢，且幾乎沒有溫升;內短路中期，由于熱量開始聚集，電池的內短路現象開始變得明顯，電壓下降速率變大，溫度快速升高;內短路后期，溫度達到了隔膜的瓦解溫度，電池內短路加劇，放熱鏈式反應發生，溫度異常升高，隔膜進一步的瓦解，造成大面積內短路，從而使電池不可遏制地發生了熱失控，其表現為電壓消失、溫度急劇上升。

4 動力電池內短路抑制手段

針對動力電池內短路的發生誘因和其演化機理，內短路的抑制手段主要從電芯設計及制造、BMS管理兩方面采取措施。

4.1 電芯設計及制造

為防止內短路的發生，對單體電芯而言，可實施的抑制手段主要有電芯結構設計優化、電芯材料改性以及嚴格控制制造工藝三方面進行。

4.1.1 電芯結構設計優化

電芯結構設計優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。該設計主要用來抑制充電電流過大以及過充電引起的內短路，對電池形成三層保護作用。

第一層保護：當電池工作電流過大時，電池及PTC會發熱，PTC的阻值隨著溫度的上升會呈幾何倍數的增加，起到降低電流保護電池的作用。

第二層保護：當電池過充時正極分解并釋放出氧氣，導致電池內壓增大，防爆片翻轉變形，拉脫與極耳的激光焊點，使電池斷電，保護電池不再繼續大電流工作。

第三層保護：如果電池斷電后，電池的鏈式反應依然沒有被阻斷，溫度持續上升，電芯內壓則會繼續增大，直至排氣閥破裂，電池內部氣體瀉出，內壓下降，避免電池發生爆炸。

4.1.2 電芯材料改性

由于電池內短路的演化發展與電池隔膜瓦解的程度相關，所以在電芯材料改性方面抑制內短路的手段主要就是隔膜材料的優化。目前傳統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，對其優化改性方法主要有以下三種：

①應用陶瓷涂層：

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能力，但靜電紡絲制造工藝效率低成本高，不利于大規模的產業化。

③使用三層復合隔膜：

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

4.1.3 嚴格控制制造工藝

電芯制造過程中正負極材料中的金屬雜質、生產車間的粉塵顆粒、極片毛刺、正負極錯位以及電解液浸潤不良都有可能造成電池內部緩慢發展的內短路，所以在電芯生產過程中需要對電池原材料雜質檢驗、車間粉塵控制、分切模切時的毛刺檢測等生產工藝進行嚴格要求，避免自發內短路的發生。

4.2 BMS故障診斷

在內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、溫度的進行在線一致性故障診斷可有效地在內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短路現象的故障單體，然后再基于電池內短路熱-電耦合模型，判斷故障單體是否符合內短路特征參數，最后確定是否發生了內短路故障。

5 結語

在熱失控的的機械濫用、電氣濫用和熱濫用三大濫用情況發生時內短路的發生幾乎無法避免，所以內短路在熱失控的研究中占有十分重要的地位。內短路除了外部濫用情況可誘發外，電芯制造缺陷、使用不當等都有可能導致電池內部緩慢地發生內短路。本文通過研究發現，內短路誘發熱失控需要經過三個階段，內短路前期和中期時未對電池安全造成威脅，只有當內短路發展到后期才會發生熱失控。所以利用電芯設計及制造預防和BMS內短路故障診斷等手段可有效減少電池發生內短路的概率，并在內短路發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生。

參考文獻：

[1]Xuning Feng， Minggao Ouyang，Xiang Liu， et al. Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles：A review[J].Energy Storage Materials，2018，10：246–267.

[2]M. Ouyang，M. Zhang，X. Feng，L. Lu， J. Li，X. He，et al. Internal short circuit detection for battery pack using equivalent parameter and consistency method[J]. Journal ofPower Sources 294（2015）272-283.