新能源汽車電池熱失控事故防護研究

馬鋮

摘 要：二氧化碳是造成溫室效應的主要原因。而汽車燃料中含有碳元素，汽車尾部排氣管會排放大量二氧化碳，所以燃油車的大量使用會在一定程度上加劇溫室效應。隨著全球環境惡化問題的日益凸顯，新能源汽車研究和應用將成為未來汽車研發的主要方向。目前，市場上的新能源汽車主要依靠電池發電提供動力，這其中就面臨著一個新問題——電池熱失控。這種電池熱失控可能引發汽車自然等安全事故，所以如何對新能源汽車電池熱失控事故進行有效防護就成為研究重點。本文就從電池熱現象的闡述出發，分析新能源汽車電池熱失控事故，進而提出相關防護措施，以供參考。

關鍵詞：新能源汽車 電池熱失控 安全事故 事故防護

1 引言

新能源汽車事故與駕駛、乘車人員的生命安全、財產安全密切相關，隨著新能源汽車的推廣、應用，社會各界對其安全問題越發關注。因多數新能源汽車事故為自燃事故，而自燃事故的發生原因為電池存在缺陷、易引起熱失控導致自燃，所以，如何解決這一問題成為新能源汽車企業需深入研究的課堂。下列就新能源汽車電池熱失控事故案例進行分析，并提出相應防護策略，以期提高新能源汽車的安全性能，減少自燃事故的發生率，并為駕乘人員的人身安全提供保障。

2 電池熱概述

熱失控（thermal runaway），指的是電池單體放熱連鎖反應引起電池溫度不可控上升的現象。其可劃分為三個階段，即自生熱階段（50℃-140℃），熱失控階段（140℃-850℃），熱失控終止階段（850℃－常溫）。

自生熱階段，又名熱積累階段。其始于SEI膜的溶解，因負極及負極內包含的嵌鋰碳成分暴露于電解液里，而嵌鋰碳可與電解液發生放熱反應，所以電池溫度升高。

熱失控階段，當溫度超過140℃后，正負極材料都會進行電化學反應，導致溫升速度加快。外部可直接觀測到電壓的急劇下跌。短時間內，劇烈的反應生成大量氣體、熱，發生膨脹。熱量向周圍傳播，熱失控向其他電芯蔓延。

熱失控終止，熱失控一旦發生，只有待反應物耗盡，熱失控過程才能自然終止。

3 新能源汽車電池熱失控事故分析

3.1 典型案例分析

以汽車所處狀態為依據，可將新能源汽車電池熱失控事故劃分為充電中熱失控、靜置中熱失控、行駛中熱失控三類。

案例1（行駛中熱失控）：7月5日下午，上海市寶山區楊行鎮蕰川公路北上海購物中心路段，一臺小鵬P7在行駛過程中突發意外，車輛起火燃燒。從網絡曝光的視頻來看，這臺小鵬P7的外觀并無明顯碰撞痕跡，車輛起火點位于前部底盤處，起初有大量白煙冒出，隨后愈發嚴重，并最終出現明火。隨后消防隊員到場控制住了火勢，但車輛前部已經完全損壞，車輛基本處于報廢狀態。

案例2（靜置中熱失控）：近日，北京石景山奧動楊莊換電站發生火情，引發關注。4月25日，奧動新能源就此事回應南都記者稱，起火原因系充電艙內一塊電池，在非充電時的靜置狀態下，因自身短路引發熱失控。“此次事件造成一塊電池因自燃短路被燒毀，另一塊電池被溫度異常波及，未對人員及車輛造成任何損害，亦未對該換電站及其周遭環境產生影響”。公司已于20日啟動新一輪換電站安全自查，并啟動24小時值班機制，落實安全排查與保障措施。目前，除石景山楊莊換電站外，北京市其他換電站均正常運營。

案例3（充電中熱失控）：2023年2月4日午后，海南昌江黎族自治縣石碌鎮太坡鐵路附近發生一起新能源汽車充電自燃事故。一輛正在充電的新能源汽車突然起火，并在幾分鐘內徹底燒毀，僅剩車架留存。消防救援部門在5分鐘內趕到現場，并隨后撲滅起火車輛，本次事故并未造成人員傷亡。當事人表示：自己正在等車輛充滿電，但在充了一個多小時后，正在充電的車輛突然出現冒煙起火。起火后，自己試圖對車輛施行緊急滅火，但未起到明顯效果。隨著火勢逐漸擴大不可控，隨后路人撥打電話報警。

3.2 新能源汽車電池熱失控事故的原因

電池熱失控的主要誘因為短路，而電池短路的原因較多，主要為：（1）非純凈水進入電池系統，因其為導電介質，浸水耦合作用導致拉弧，所以電池殼體被擊穿，并出現電解液泄漏現象，電解質接觸空氣后發生燃燒。（2）電池系統受到擠壓穿刺，隔膜機械被破壞，正負極接觸導致短路。（3）快速充電時，負極快速析鋰，其與電解液發生反應后快速放熱。因析鋰現象可導致枝晶伸展刺穿隔膜，所以可引發電池短路。

上述提到的電池短路方式皆指的是電池本身無問題時，受外界因素影響而導致的熱失控，分別對應的是汽車浸水引起的自燃事故、汽車碰撞引起的自燃事故、汽車充電引起的自燃事故。

部分車輛出現熱失控事故的原因為電池本身存在問題，使用時間一長，電池出現老化現象，因熱量緩慢積累引起了電池熱失控事故。該類事故發生時，車輛或處于行駛過程中，或處于靜置過程中。

3.3 新能源汽車電池熱失控事故的特點

根據事故發生時間，可將新能源汽車電池熱失控事故分為快速熱失控事故、緩慢熱失控事故兩類，其特點如下：

（1）快速熱失控事故的特點：快速熱失控事故包括浸水、碰撞、充電引起的自燃事故。其主要特點為發生快、易產生爆炸、危險度高。鋰電池燃燒可點燃車輛內飾，產生大量有毒氣體，直接對駕駛人員、乘車人員的生命安全造成了影響；且因此類事故常見于車禍等情形，所以數分鐘后即可起火燃燒；此外，部分電池容量較大，易產生爆炸。

（2）緩慢熱失控事故的特點：緩慢熱失控事故是因電池老化導致的短路，是一個緩慢的熱積累過程，所以事故發生時，車輛會逐步出現白煙、異味。因此，其典型特征為：車輛逐步出現白煙、異味。

4 新能源汽車電池熱失控事故防護措施

新能源汽車電池熱失控事故防護措施有二，一為國家進一步設置強制性國家標準，通過強化新能源汽車安全要求加強監管約束，確保動力蓄電池具有較強的安全性能；二為車企從材料、電芯、模組、系統四個方面入手對電池熱失控進行阻隔，從而降低電池熱失控事故的發生率，具體如下：

4.1 國家標準中對新能源汽車安全要求

新能源汽車與可持續發展戰略的要求相符，可在滿足人民群眾的出行需求的同時減少能源消耗、尾氣排放。但新能源汽車電池熱失控事故的頻繁發生導致人民群眾對新能源汽車的安全產生了質疑，且影響了新能源汽車的推廣應用。因此，國家相關部門需強化新能源汽車安全要求，以此加強監管約束。

《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中明確規定：電動汽車企業需對汽車動力蓄電池進行多種情形（過充、外部火燒、浸水、擠壓、濕熱循環、模擬碰撞等）下的模擬試驗，在完全通過模擬測試后，才可對動力蓄電池進行大規模生產。同時，為降低新能源汽車自燃事故對駕乘人員的影響，《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中還特別增加了電池系統熱擴散試驗，明確要求電池單體發生熱失控后進而引發熱擴散危及駕乘人員生命安全之前五分鐘，應提供報警信號，為駕乘人員預留逃生時間。實踐中，如果熱擴散不會危害駕乘人員的人身安全，則視為滿足此條要求。

在如此嚴格的要求下，電動汽車企業就動力蓄電池進行深入研究、探索，不斷提高了動力蓄電池的安全性能。目前，已有數家車企通過測試。

4.2 現階段新能源汽車電池熱失控防護措施種類及原理

現階段新能源汽車電池熱失控防護的原理為：從不同層面阻隔熱失控，防護措施可簡單分為材料、電芯、模組、系統四類。

4.2.1 材料

選擇安全性較高的電池材料可降低熱失控現象的發生率。磷酸鐵鋰材料滿足相關目標，所以，當前的新能源汽車電池劃分為了兩種技術路線，一為繼續采用高鎳三元電池，其通常被應用于高續航車輛中，但安全性能較差；二為采用磷酸鐵鋰電池，其與前者相比具有安全性能高、價格低廉的優勢，但其不足也相對明顯，即：能量密度低。

從新能源汽車電池熱失控防方面來看，鐵鋰材料明顯優于三元材料。具體而言，磷酸鐵鋰在400℃以上出現顯著的放熱峰，熱穩定性較強；鎳三元材料的放熱峰出現在230℃、306℃，熱穩定性較差。所以，可采用磷酸鐵鋰材料增加電池安全，做好新能源汽車電池熱失控防護工作。

4.2.2 電芯

電芯為構成電池的最小單位，指的是含有正、負極的電化學電芯。在電芯內部進行熱失控防護時存在較大難度，因為其為電池的最小模塊，而高能量密度與續航有關，所以車企以高能量密度為目標，其設計日趨逼近極限。因此，電芯空間較小，無法增加防護措施。為解決這一問題，將新能源汽車電池熱失控防護工作落到實處，車企進一步增大了電芯尺寸、提高了能量密度，并在其內部填充了大量的活性物質，導致電芯內部設計逼近極限。發現該問題后，車企轉向其他方向繼續研究。目前，在電芯內部增加防護措施的方式正逐步被車企所放棄，模組級熱失控防護措施得到了推廣應用。

4.2.3 模組

模組，指的是電芯組合排列后形成的整塊電池系列組合。模組熱失控的關鍵是阻止電芯間的熱擴散。以某汽車的模組熱失控防護設計為例，其通過不同圓柱電池的排列組合成模組。采用圓柱電池可最大限度地減少電池間的接觸面積，可為電池間排布水冷管、隔熱棉提供便利，從而達到阻止電芯熱擴散的目的。

4.2.4 系統

系統級熱失控方案是指從汽車整體結構出發進行熱失控防護。就目前情況而言，系統級熱失控方案有布置熱感應監測裝置、增加應急冷卻系統兩種。

布置熱感應監測裝置的目的是監測汽車電池放熱情況、判斷車載電腦，若出現失控風險，可及時予以提醒，使駕乘人員快速逃生。

增加應急冷卻系統可通過灌注冷卻液阻斷熱失控反應。比如，可在電池泄壓閥上方布置應急冷卻系統，當發生熱失控現象時，可迅速灌注冷卻液，避免電池進一步反應。但其需占據電池空間，所以其在追求能量密度的“競賽”中的競爭力較弱。此外，增加應急冷卻系統的復位費用較高。即：一旦應急冷卻系統啟動，冷卻液裝置、電池模組等皆需進行更換，且需對汽車進行清潔、維修。

5 新能源汽車電池熱失控防護措施發展路徑

目前，新能源電池熱失控防護措施的桎梏主要為：能量密度與安全的平衡。雖然磷酸鐵鋰材料、應急冷卻系統皆可提高動力蓄電池安全性能，但其犧牲了能量密度，導致新能源汽車的續航里程受到了影響。而新能源汽車的痛點一直是續航里程，而且消費者具有里程焦慮。因此，新能源車企的未來技術發展路線為：盡可能提高續航里程、動力蓄電池安全性。

新能源汽車電池熱失控防護措施發展路徑有三，一為采用新型材料改善熱穩定性，盡可能提高續航里程、動力蓄電池安全性；二為使用復合集流體替代傳統集流體，增強電池阻燃性，提高電池能量密度；三為使用固態電解質替代液態電解質，在提高電池熱穩定性的同時減少漏液現象發生率、提高能量密度。

5.1 采用新型材料改善熱穩定性

除磷酸鐵鋰材料、鎳三元材料外還有很多化學材料，相關工作人員可對化學材料進行進一步的研究及探索，盡可能提高續航里程、動力蓄電池安全性。比如，可嘗試運用磷酸錳鐵鋰材料為電池材料，磷酸錳鐵鋰材料可充分提高材料的熱穩定性，且其與磷酸鐵鋰材料相比具有更高的能量密度。此外，該材料可與鎳三元材料混用，可在提高電池安全性的同時借助鎳三元材料保障新能源汽車的續航里程。

5.2 使用復合集流體替代傳統集流體

電池上的集流體是指金屬箔。傳統集流體材料多為銅箔、鋁箔，其占電池單體重量的15%左右，且易引發電池熱失控事故。基于此，相關專家及學者提出復合集流體的概念，并鼓勵車企使用復合集流體替代傳統集流體。復合集流體隸屬于疊層結構，中間支撐體層材料為滌綸樹脂、聚萘二甲乙二醇酯、聚丙烯，支撐體層兩側采用的材料為金屬鍍層。同時，中間層添加了溴系阻燃劑、含溴磷酸酯、阻燃滌綸樹脂，因此其具有較強的阻燃性。此外，其可充分減輕集流體重量，進一步提高電池能量密度。

5.3 使用固態電解質替代液態電解質

固態電解質的熱穩定性較高。而新能源汽車電池熱失控防護需以提高熱穩定性為入手點，所以，可使用固態電解質替代液態電解質達到良好的防護目的。此外，使用固態電解質的電池電壓平臺高于使用液態電解質的電池電壓平臺，且其與高壓電極材料具有較強的適配性，能夠充分提高電池能量密度。這是因為固態電解質不具備流動性，不會出現漏液現象，并能在一定程度上降低電池重量、體積，所以有望提高能量密度。

不過，固態電解質電池的應用方面也面臨著一些問題，比如：導電率較低，無法做到快速充電；又如，物理表面接觸性較差，對其電化學性能的發揮造成了影響，而且嚴重時可對固態電池的使用壽命造成影響。因此，相關工作人員需進一步對固態電解質進行研究，以期早日實現大規模生產、運用。

6 結語

綜上所述，新能源汽車可減少汽車尾氣排放，為人類的可持續發展提供保障。但隨著其投入使用，新能源汽車的安全問題越發受到社會各界的關注。由于自燃事故為主要的新能源汽車事故，動力電池熱失控是新能源汽車自燃事故的主要原因，所以上述進行了深入研究，提出了兩個防護措施，即：國家進一步設置強制性國家標準，通過強化新能源汽車安全要求加強監管約束；車企從材料、電芯、模組、系統四個方面入手對電池熱失控進行阻隔。不過，新能源電池熱失控防護措施的桎梏主要為：能量密度與安全的平衡，所以，車企需進一步進行研究，在提高續航里程的同時為汽車動力蓄電池的安全性提供保障。

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