電動汽車動力電池使用安全性研究

于秩祥Yu Zhixiang

電動汽車動力電池使用安全性研究

于秩祥
Yu Zhixiang

（江蘇建筑職業技術學院 實驗實訓管理處，江蘇 徐州 221116）

針對電動汽車自燃事故，結合電動汽車動力電池分類和結構原理，分析電動汽車使用過程中動力電池的安全隱患，探討動力電池熱失控機理和鋰枝晶產生因素；在動力電池溫度控制、充放電工況和車輛使用上提出優化方法，提升動力電池的使用安全性，避免動力電池出現鋰枝晶后引起熱失控導致電動汽車自燃；最后給出了電動汽車使用的保護措施。

自燃；熱失控；電動汽車；動力電池；鋰枝晶；電池安全

0 引 言

公安部數據顯示，截至2022年6月底，國內新能源汽車保有量已突破1 000萬輛，達到1 001萬輛，占汽車保有總量3.23%；其中，純電動汽車保有量為810.4萬輛，占新能源汽車保有總量80.93%[1]。電動汽車會由于動力電池熱失控而引發自燃事故，自燃可以發生在使用的各個環節，行駛過程中自燃、充電過程中自燃、停置時自燃、高溫下自燃、發生碰撞事故后自燃[2]。在各種誘因下，內部單體鋰離子電池熱失控后，發生劇烈化學反應產生大量熱量，伴隨噴射、泄氣和爆炸等現象快速引發整塊動力電池起火燃燒[3]。根據國家應急管理部消防救援局公布的數據，截至2021年底，電動汽車起火事故中60%左右由動力電池熱失控引起，30%左右由充電過程引起，5%左右由交通事故碰撞引起；2022年第1季度國內接報新能源汽車火災共640起，同比上升32%，而交通工具火災發生的平均增幅為8.8%[4]。本文通過對動力電池分析，提出降低電動汽車自燃風險的保護措施。

1 動力電池類型

電動汽車的動力電池主要分為磷酸鐵鋰和三元鋰，單位容量相同的兩種動力電池的性能比較見表1；前者采用磷酸鐵鋰作為正極材料，其優點是在高溫條件下或過充時安全性高，缺點是低溫條件下電量衰減快；后者主要分為NCM（Ni、Co、Mn，鎳、鈷、錳）和NCA（Ni、Co、Al，鎳、鈷、鋁）兩種，三元鋰電池采用NCM或NCA作為正極材料，將鎳鹽、鈷鹽、錳鹽三種成分按不同比例進行調整[5]，當采用高鎳、低鈷或者無鈷比例時，意味著高容量（高鎳）和低穩定性（低鈷或無鈷），此時正極的熱穩定性極差，遇到高溫、外力等沖擊更容易引發熱失控。車企為提升續駛里程，會采用大容量的三元鋰動力電池，車輛使用中如控制不當更容易引發電池熱失控進而引起車輛自燃。

表1 磷酸鐵鋰和三元鋰動力電池性能對比

2 動力電池熱失控

2.1 熱失控機理

電動汽車自燃的一個重要原因是電池熱失控，是指電池放熱過程中，自溫升速急劇變化，溫度急劇升高，造成過熱、起火、爆炸等現象。熱失控是一個逐漸反應過程，理論上可以進行監控甚至預警。電動汽車使用過程中，在大倍率充放電工況和惡劣熱環境中，使生成的熱量大量聚集，電池溫度明顯上升。動力電池的正常工作溫度為20～50 ℃，充放電過程中溫度控制不好，會使電池溫度快速上升，并會進一步加劇電池內部副反應生熱，反復循環最終導致熱失控[6-7]。電池溫度升高時，電池管理系統和冷卻系統會進行電流控制和冷卻散熱，避免電池過熱引發一系列副反應。

2.2 電池熱失控與鋰枝晶

動力電池內部短路是風險最大的鋰枝晶副作用。鋰枝晶是由高度活潑的鋰原子在成核位點與電解質膜之間的界面上進行不規則電沉積所產生的類似枝裝的鋰晶體；液態電解質的鋰離子電池首次充放電時，電極材料和電解液在固液相界面發生復雜反應，形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層，即SEI（Solid Electrolyte Interphase，固體電解質界面）膜，其中負極SEI膜對電池影響更大。SEI膜具有有機溶劑不溶性，是電子絕緣體，e?無法通過，但是良好的離子導體，鋰離子可以順利通過。鋰離子在負極表面不均勻沉積會形成鋰枝晶（析鋰），并會持續不均勻生長下去，變得更長、更粗、更尖。當鋰枝晶生長到一定程度時，其靠近負極的部位會溶解，鋰枝晶脫離電極，成為失去電化學活性的“死鋰”，此時電池容量降低，電池充電變得頻繁[8-9]。如圖1所示，負極表面的鋰枝晶生長得又粗又長，刺破了絕緣SEI膜，連于正極，導致電池內部短路。如果負極表面的鋰枝晶生長得很小且底部與負極脫離，或是大型鋰枝晶頂部出現鹿角狀小枝晶且斷裂，在這兩種狀態下，游離的鋰枝晶透過SEI膜進入電解質中，會導致電池內部短路。頻繁充電也會導致鋰枝晶刺破電池SEI膜，使電池內部短路。針對鋰枝晶問題，目前沒有徹底的解決方案，主要以預防為主，盡量避免動力電池熱失控引起自燃。

圖1 電子顯微鏡下的鋰枝晶及內部短路

3 動力電池管理系統

BMS（Battery Management System，動力電池管理系統）主要監測電池外部溫度，對于電池內部細微變化很難提前發現。BMS負責監測整個電池組，包括電壓、電流、電池的溫度，防止過充或過放，確保電池組健康運行。隨著運行時間增加，動力電池內部會發生老化，出現容量衰減，通常用SOH（State of Health，衰減狀態）指標進行衡量[10]，如式（1）所示。

另外，BMS負責監測動力電池中每一顆電池的容量，即SOC（State of Charge，荷電狀態）[11]，如式（2）所示。

SOH和SOC可以有效反映出動力電池的電量和健康狀態，二者主要受環境溫度、充放電倍率和放電深度等多個因素影響，這使得精確估算SOH和SOC值變得不容易，而充電倍率和放電深度由BMS依據電池溫度、SOH、SOC等確定[12]，BMS是動力電池安全運行的保障，合理優化BMS可以減少或避免動力電池在使用中出現熱失效。

4 電池充放電

動力電池充放電會使鋰離子快速移動，過大的充電電流使鋰離子快速脫離晶格，會對結構穩定性造成沖擊，鋰離子快速嵌入陽極，但擴散速率低，使鋰單質在陽極表面沉積；過大的放電電流使大量鋰離子短時間通過SEI膜，可能造成膜層結構大規模破損[13]；所以過大的電流會加速電池老化。

理想的鋰電池充電過程為“涓流充電—恒流充電—恒壓充電—涓流充電—充滿”，其中SOC從約80%到100%（報滿電流）使用恒壓充電，此時充電速度較慢。當采用恒流充電時電流非常大，會產生大量熱量，這些熱量多數來自內阻焦耳熱和電池化學反應生熱。鋰電池首次充電時會形成SEI膜，消耗掉大量來自電極材料的鋰離子，雖然可以降低內部短路風險和防止溶劑分子共嵌入以及提升循環壽命，但也降低了電池總容量。

4.1 電池快速充電

動力電池頻繁快充會增加自燃風險。快充時強行使鋰離子快速從正極嵌出并嵌入負極，增大鋰離子的流量與速度；快充也會影響SEI穩定性，使短時間內產生較大不均勻熱量。快充會在一定程度上降低庫倫效率，即放電效率（對于正極是指放電容量/充電容量，即嵌鋰容量/脫鋰容量）。有些電池首次放電的庫倫效率會高于100%，但隨著SEI膜形成和循環增加，庫倫效率會逐漸降低，活性越來越弱。大電流快充時，可能引起電極處濃差極化，局部過熱，電極材料被破壞，鋰枝晶快速產生，從而產生短路風險。建議減少大電流快充次數。

4.2 電池過充電

鋰電池過充電會引起熱失控，即電池已充滿電但仍持續充電會使電池過熱，導致正極活性物質的結構發生不可逆變化，并使電解液產生分解，同時生成大量氣體、放出大量熱；另外，鋰離子堆積負極表面形成金屬鋰，生成樹枝狀結晶，會穿破隔膜使正負極短路引發電池熱失控[14]。圖3為鋰電池電壓、溫度與電量間關系，當過度充電時，正極中鋰離子過度脫出晶格，使正極晶格結構塌陷并析出氧氣，并進一步促使電解質分解，使電池內部壓力增加，電池過充的后果輕則鼓包漏液，重則短路熱失控，甚至發生爆炸；當電池充電容量達到90%時，可通過軟件鎖定充電上限，避免達到電壓最大值max，否則電池內部溫度急速升高，可能誘發電池熱失控。

圖2 鋰電池電壓、溫度與電量關系

5 溫度的影響

5.1 低溫影響

低溫環境下電池正負極材料的活性降低，內部運動的鋰離子數量下降，帶電離子擴散運動能力變差，電能傳遞速度降低，電池充放電性能下降。隨著溫度降低，電解液導電能力下降，當電池充放電時，內部產生阻力即內阻。正常使用中，電池內阻增大會產生大量焦耳熱引起電池溫度升高，試驗表明：環境溫度在0 ℃以下時，溫度每下降10 ℃，內阻約增大15%。圖4為某電動汽車動力電池在不同溫度下的電壓與SOC關系，極端低溫－30 ℃與超低溫－20 ℃下的放電曲線均非常陡峭，－30 ℃下只有20%～60% SOC可用，－20 ℃下只有15%～80% SOC可用，并且電壓變化范圍很大[15]。低溫充電過程中，電池負極的電化學極化加劇，析出的金屬鋰容易形成鋰枝晶，穿破隔膜使正負極短路。

圖3 不同溫度下電壓- SOC關系

5.2 高溫影響

動力電池的正常工作溫度為20～50 ℃。當溫度超過60 ℃時，過熱的環境會使電池正極材料發生分解，其中磷酸鐵鋰電池稍優于三元鋰電池。正極溶解會造成材料結構變化和晶格破壞，一方面導致高電壓區充電容量減小，另一方面造成活性物質間接觸阻抗增大，鋰離子遷移速率降低，最終使電池失效[16]。在環境溫度35 ℃以上使用電動汽車，如果長時間深踩電門或極高速行駛，此時電池進行大電流放電，會產生大量熱量并被限制在高壓電池包中，如果不及時進行冷卻降溫，則有可能造成熱失控。

6 外部機械碰撞的影響

電動汽車受到外部機械碰撞可能引發電池破碎或者電解質泄漏，電池自身的電火花或者高壓部分破損引起的電弧可以點燃泄漏的可燃性電解液或者其他物質從而引發車輛自燃。此外，電池受到擠壓變形，可能會形成電池短路和發熱。

碰撞后，鋰電池的損傷分為“外傷”和“內傷”。“外傷”是指電池可能會破碎和出現電解液泄漏，存在電池被點燃的風險；“內傷”是指電池內部可能出現電極破碎，碎片刺穿隔膜等情況，此時電池可能沒有明顯特征，但后續使用中可能成為電池熱失控的誘因。

電動汽車行駛中會出現路面不平引發的顛簸，可能導致電池連接組件出現松動，造成機械濫用從而觸發電池短路，導致電池接觸內阻增加，若未及時排除故障，可能引發電池局部高溫，使單體內部發生副反應，出現活性物質不可逆反應；若累積熱量無法有效擴散，會使電池內隔膜熔融，發生電解液分解引起電池熱失控，導致自燃事故。

7 電動汽車的正確使用

7.1 減少長時間停放

電動汽車的長時間停放會降低電池使用壽命。當動力電池長期處于無電量或低電量狀態時，鋰電池內部電子移動阻力增加，電池容量減小；當電池長期處于滿電狀態，大量鋰離子插入負極石墨這個不穩定載體上，此時鋰離子更容易脫落游離到電解液中，使電池容量降低。電動汽車長時間停放，電池SOC長期過低靜置，電池活性物質含量降低，一旦電池重新啟用，必須涓流充電喚醒，這會引起鋰枝晶生長，降低電池使用壽命。通常，維持40％～80％電量最有利于保護電池，此時電池使用壽命最長。

7.2 減少快充次數

過高的充電電壓或電流都會降低鋰離子電池電極材料和電解液的穩定性，引起電池內部副反應增加，并在負極表面出現析鋰，導致電池熱失控。過充電與過放電對電池健康的損害最大，為了防止過充電，可以限定SOC最高值低于100%（通常安全狀態不超過90%）；充電過程中隨著SOC值升高，電池可以承受的充電倍率在降低，當SOC達到80%左右可以降低充電倍率，以免損傷電池內部結構。為了防止過放電，盡量每次不使電池電量用盡。

使用正規廠家的充電樁產品，保持充電電壓、電流穩定。淺充淺放可以大幅提升電池循環次數，延長電池使用壽命。盡量避免長時間在高位SOC值進行涓流充電。除磷酸鐵鋰電池外，多數鋰電池不宜過放電，放電深度越接近0%，對電池的損害越大。

7.3 避免碰撞事故

由于動力電池包的存在，電動汽車碰撞后自燃風險增大，所以電池包內部傳遞結構的設計非常重要，同時需要保證電池包外部具備抗形變結構，利用邊框進行吸能，確保內部電池安全。

電動汽車發生碰撞時，首先須將車內人員撤離，而不是先對車輛進行處理，車輛出現自燃前兆，包括動力電池產生大量有毒濃煙，并伴隨起火和爆炸，整個過程時間非常短；另外，碰撞后的動力電池可能處于通電狀態，如果高壓電漏電非常危險，駕駛電動汽車應盡量避免或減少碰撞事故。

8 結束語

本文對電動汽車動力電池熱失控引發自燃事故進行系統分析，提出了如下使用建議：

（1）在各種工況下合理使用電動汽車能夠有效延緩或抑制動力電池內鋰枝晶生長，避免鋰枝晶刺破SEI膜導致內部短路；

（2）對電動汽車合理充放電，減少高電壓快充次數，避免外部誘因引起電池熱失控；

（3）嚴格遵守交通規則，盡量減少急加速和超高速駕駛等操作，避免碰撞事故引發電動汽車自燃。

[1]中華人民共和國公安部.全國新能源汽車保有量已突破1000萬輛[EB/OL]. 2022-07-06[2022-08-10].https：//www.mps.gov.cn/n2254314/ n6409334/c8577234/ content.html.2022.

[2]陳澤宇，熊瑞，孫逢春，等.電動汽車電池安全事故分析于研究現狀[J].機械工程學報，2019（24）：94-116.

[3]張亞軍，王賀武，馮旭寧，等.動力鋰離子電池熱失控燃燒特性研究進展[J].機械工程學報，2019（20）：17-27.

[4]國家消防救援局.全國第一季度火災21.9萬起，死亡625人! [EB/OL]. 2022-04-04[2022-08-10].https：//www.119.gov.cn/gk/sjtj/2022/ 28761.shtml.2022.

[5]SHEN C Q，LI G R，LIU L，et al. Facile Fabrication of Compact LiFePO4/C Composite with Excellent Atomically-Efficient for High- Energy-Density Li-Ion Batteries[J]. Journal of Power Sources，2021，496：229759.1-229759.9.

[6]安富強，趙洪量，程志，等.純電動車鋰離子電池發展現狀與研究進展[J].工程科學學報，2019（1）：22-42.

[7]WANG Q S，PING P，ZHAO X，et al. Thermal Runaway Caused Fire and Explosion of Lithium Ion Battery[J]. Journal of Power Sources，2012，208：210-224.

[8]豐閃閃，劉曉斌，郭石麟，等.鋰枝晶的成核、生長與抑制[J].化工學報，2022（1）：97-109.

[9]陳吉清，劉蒙蒙，周云郊，等.不同濫用條件下車用鋰電池安全性實驗研究[J].汽車工程，2020（1）：66-72.

[10]譚曉軍.電池管理系統深度理論研究——面向大功率電池組的應用技術[M]. 廣州：中山大學出版社，2017.

[11]DONG G，WEI J，CHEN Z. Kalman Filter for Onboard State of Charge Estimation and Peak Power Capability Analysis of Lithium-Ion Batteries[J]. Journal of Power Sources，2016，328：615-626.

[12]WANG X，XIE Y，DAY R，et al. Performance Analysis of a Novel Thermal Management System with Composite Phase Change Material for a Lithium-Ion Battery Pack[J]. Energy，2018，156：154-168.

[13]GUO R，LU L，OUYANG M，et al. Mechanism of the Entire Overdischarge Process and Overdischarge-Induced Internal Short Circuit in Lithium-Ion Batteries[J]. Scientific Reports，2016（6）：30248.

[14]黎華玲，唐賢文，邵丹，等.鋰離子電池熱失控氣體研究進展[J/OL].電池：1-5.2022-05-31[2022-08-13].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/ 43.1129.TM.20220530.1758.021.html.

[15]解難，胡月昆，楊帆，等.環境溫度對電動汽車續駛里程影響的試驗研究[J].重慶理工大學學報（自然科學），2018（6）：21-25.

[16]XIONG R，PAN Y，SHEN W X，et al. Lithium-Ion Battery Aging Mechanisms and Diagnosis Method for Automotive Applications：Recent Advances and Perspectives[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2020，131：110048.1-110048.14.

江蘇建筑職業技術學院課題（JYA320-05）。

2022-09-14

1002-4581（2023）01-0018-05

U469.72+2.03

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2023.01.005