新能源汽車鋰離子動力電池安全性分析

劉俊

摘 要：新能源汽車行業近年來風生水起，受到了全球范圍內的廣泛關注和重視。特別是電動汽車，因其環保、低排放等特點備受青睞。而動力電池作為驅動這些車輛行駛的心臟部件，自然成為了人們研究和關注的焦點。然而，隨著電動車輛的快速增長，相關的安全問題也隨之浮現，特別是涉及動力電池的安全性問題，已成為制約新能源汽車發展的一大痛點。本文將針對新能源汽車鋰離子動力電池安全性展開詳細分析，以供參考。

關鍵詞：新能源汽車 鋰離子 動力電池 安全性

新能源汽車在充電、行駛、甚至遭遇交通事故的過程中出現的動力電池自燃或起火現象尤其讓人擔憂。這些火災事故不僅會導致財產損失，更有可能危及人身安全，給車主及周圍人群帶來重大風險。因此，電動汽車鋰離子動力電池的安全性問題引發了廣泛的社會關注，成為業界亟待解決的重要課題。為了保證新能源汽車的安全性，對鋰離子動力電池進行深入的安全性分析和研究是非常必要的。這不僅包括了解和評估鋰離子動力電池在設計、制造、使用和廢棄等全生命周期中可能出現的安全風險，還涉及到采取有效的預防措施來降低事故發生的幾率。

1 鋰離子動力電池工作原理

鋰離子動力電池作為電動汽車的能量之源，其結構與功能復雜且精巧。它主要構成包括若干鋰電池模組、外圍的箱體、安全設施（如防爆閥）以及溫度調節用的加熱片等。同時，可將這些鋰電池模組視為動力電池的“心臟”，而這些模組本身，則是由許多串聯、并聯或二者結合的鋰離子電池單體所組成。鋰離子電池，作為動力電池的基本構建單元，具有其獨特的結構和工作原理。它由正極材料、負極材料、隔膜、電解液和電池殼體等部分組成。在工作時，鋰離子在正負極之間移動，實現電荷的轉移。因其工作方式類似于搖椅，即電荷在兩端來回“搖擺”，因而得名“搖椅型”電池。在電池充電過程中，當外部電壓施加在電池兩極上時，鋰離子會從正極材料中釋放并進入電解液，在隔膜的指引下向負極移動。這一過程中，會有多余的電子通過正極的集流體，沿著外部電路流向負極。同時，鋰離子穿越電解質，最終抵達負極，嵌入負極的石墨層中，并與那里的電子結合，完成充電過程。放電過程則是充電動作的逆流程。此時，鋰離子從負極的石墨層中釋出，穿越充滿電解液的隔膜，再次向正極移動。伴隨著鋰離子的移動，會有電子通過外部電路從負極向正極流動，為外部電路提供動力。鋰離子抵達正極后，進入正極材料中，并與正極的電子重新結合。這個在充電與放電期間，鋰離子在電池內部正負極之間往返的過程，不僅支持了電池存儲能量和釋放能量的功能，而且也保證了電動汽車的穩定運行。正是這種特殊的工作機制，使得鋰離子動力電池成為電動汽車等新能源設備不可或缺的部分。

2 新能源汽車鋰離子動力電池安全性測試

2.1 電池包性能安全檢測

鋰離子動力電池作為現代電子產品及新能源汽車中不可缺少的能量來源，其充放電特性直接影響電池的使用壽，命和性能。在鋰電池包充電過程中，一般使用專門的電池充放電機設備來對鋰離子電池進行充電。此設備不僅能確保充電過程的穩定性，還能通過內置的程序自動調整充電速率和電壓，避免電池因過度充電而損壞。在充電大約2到3小時后，需測定電池的總容量保持率，即電池充滿電后，其容量是否能達到初始總量的100%。這一步驟對于評估電池的充電效率和健康狀況極為重要。目前，對鋰電池包進行充放電試驗，通常采取恒流-恒壓充電和恒流放電兩種方式，采集試驗時間、電壓、電流等測試數據，并對其進行測試，從而對其容量、庫倫效率、充放電平臺等進行測試，并對其進行測試。在對鋰電池封裝的實際電容進行試驗時，盡可能采用低速率的充放電方式，以減少極化引起的電容變化，從而獲得真正的儲能容量。試驗時通常選用0.1C。在拆裝試驗設備時，工作人員必須戴隔離手套、面罩、保護眼睛。因試驗通道眾多，試驗用電池、試驗通道要做專用標識，有關儀表前面要有明顯的標注，以免別人誤動。

充電性能的檢驗，放電性能的檢測同樣不可或缺。這一過程同樣利用電池充放電機設備來進行，目的在于評估電池在實際使用中的表現。為了確保鋰離子動力電池在放電過程中有足夠的鋰離子，從而維持其性能和壽命，要對放電終止的最低電壓進行嚴格控制。在常規溫度條件下，標準的充放電電流被設定為1C（即電池容量的一倍電流）。對電池進行500次充放電循環后，其容量保持率應不低于初始容量的90%。這一標準顯示了鋰離子電池在經過一定周期使用后，能夠維持其初始容量，從而保證了其長期的使用性能。另外，這些充放電條件和檢測標準可以確保鋰離子動力電池在長期使用過程中仍能保持高效能和安全性。通過精確控制充電電壓及嚴格監測電池的容量保持率和循環后的性能變化，可以顯著延長鋰離子動力電池的使用壽命，并減少因性能下降導致的電池報廢。此外，還有利于提升用戶對新能源產品的信任度和滿意度，為可持續發展和環境保護做出貢獻。

目前，鋰電池包溫度測試主要有溫差耦合和紅外圖像等，而這兩種方式都有各自的缺點。由于采用金屬線作為熱偶，會造成電池模塊內部的短路，另外，由于金屬材料本身的硬度，在安裝與操作上也存在一定的困難。紅外熱成像是利用被測物體發出的紅外線來實現的，它只能對被測物體進行大致的溫度測定，并且需要根據被測目標進行修正?；诓祭窭w維的特點，采用UV光刻技術，在纖維表面制備出具有周期缺陷的周期型位相柵，稱為“FBG”。在布拉格狀態下，入射到布拉格光柵中的光將產生選擇性的折射。FBG的柵極間距在光纖軸線方向上呈一定的排列，外部環境的改變會引起FBG的縱向應力和折射率的變化，從而使其波長發生相應的變化。通過解調回反射光的波長，得到中心波長的位移，再由測試系統的軟件來求取對應的溫度場。

綜上所述，對鋰離子動力電池進行充放電控制、溫度和性能檢測，不僅是保護電池安全的必要措施，也是提升整個新能源產業技術標準和市場認可度的關鍵步驟。

2.2 電池安全測試

在新能源電池包實際應用中，需確保其在各種極端環境下的安全性。為此，要對電池包本體進行一系列全面的測試，這些測試旨在模擬電池在實際使用過程中可能遇到的各種情況，比如機械沖擊、極端溫度、潮濕環境以及低壓電器的穩定性測試等。（1）針刺測試；通過模擬電池被尖銳物體刺穿的情況來評估電池的安全性。這一測試要求在電池被刺穿后，其內部不能出現短路現象，并要特別觀察是否有起火或者爆炸的風險發生。（2）鹽水浸泡測試；通過將電池長時間浸泡在5%濃度的鹽水中，來評估電池對潮濕環境的抵抗能力，從而確保在濕潤環境下電池的功能依然正常。在對電池的防水性能進行測試時，通常采用兩種方法。一種是將動力電池包浸泡在3.5%濃度的氯化鈉溶液中2小時；另一種是在保持電池包安裝狀態的條件下，將其完全浸沒電池最低點在水中1米持續30分鐘。之后將電池包取出，在一定試驗環境下靜置2小時，以觀察是否有異常現象發生。（3）火燒測試，它可以分為四個步驟實施。第一是預熱，即在距離火焰源3米處對電池包進行60秒的預熱；第二是直接燃燒，在火焰下對電池包進行70秒的直接加熱；第三是間接燃燒，即通過將電池包放置于耐火隔板上持續60秒的燃燒；第四是將電池包移開火源，在標準環境溫度下或使電池包表面溫度降至45℃以下靜置2小時。在測試結束后，如果電池沒有發生爆炸或起火，且沒有火苗殘留，則可以認為電池通過了測試。通過這些測試方法，可以有效評價新能源電池包在面臨針刺、濕潤、防水和火源等多種外界環境因素時的反應和安全性能。從而確保在日常使用及非常狀態下，電池包能夠保持穩定運行，最大限度地減少安全風險，為用戶提供可靠的電力支持。

3 鋰離子動力電池安全性試驗

3.1 碰撞試驗

在新能源汽車發展過程中，保證鋰離子動力電池的安全性是至關重要的一環。為了確保這些電池在面對潛在的碰撞或沖擊時能夠穩定運作，不僅不影響其性能，而且能防止起火或爆炸等嚴重事故的發生，要進行碰撞試驗。碰撞試驗的目的是通過模擬電池在實際運行環境中可能遇到的撞擊和沖擊情景，進而評估重復碰撞對鋰離子動力電池可能造成的損傷。這種損傷是否會導致電池性能下降，或者更嚴重的，是否會引起火災或者爆炸事故，都是此測試想要明確的問題。同時，新能源汽車的實體結構或設計特性不允許直接進行鋰離子動力電池的安全性試驗。在這種情況下，技術人員要根據汽車的運行速度、電池系統特點、汽車總質量、車身結構以及使用材料的強度等多個因素，對動力鋰離子電池進行模擬碰撞和仿真試驗。這種模擬碰撞的仿真試驗并非簡單的程序，它要對各種可能的沖擊角度、力度以及碰撞點位進行全面考慮，確保在模擬碰撞過程中，鋰離子動力電池系統不會因為沖擊而移位過大或結構松動。此外，模擬試驗還要考慮到一系列的安全措施和緊急響應方案，以確保測試即便在最極端的情況下也能安全進行。通過精心設計和執行這些碰撞試驗和仿真模擬，可以大大提高新能源汽車在實際運行中的安全系數。這不僅有助于制造商識別并修正潛在的結構缺陷，防止事故發生，同時也為消費者提供了一個重要的安全保障。另外，通過這些測試，可進一步優化電池的設計和布局，確保在遇到意外撞擊時，電池系統也能保持穩定，維持車輛的正常運行，從而在保障安全的同時推動新能源汽車技術的發展與普及。

3.2 針刺試驗

在新能源汽車鋰離子動力電池安全測試中，針刺試驗扮演著極其重要的角色。這一測試的核心目的是為了評估當動力電池遭受穿透性損傷時的穩定性及安全性。通過模擬現實中可能發生的銳物穿刺電池的情況，針刺試驗為研究和改進電池安全性提供了重要的數據與依據。試驗要求見表1。在具體試驗過程涉及使用鋼質針按照既定的角度和速度穿透動力電池，模擬外部銳器撞擊電池的場景。這種操作不僅會導致電池內部的隔膜和電極受到破壞，還會引發電池內部短路，隨之產生的熱量可能導致電池溫度迅速升高。而針刺試驗的核心要求是確保即便在這種極端情況下，動力電池也不會出現爆炸或者起火的現象。因此在實際應用中，新能源汽車可能會遇到各種極端情況，例如車禍導致的碎片穿刺電池箱。電池如果在這類情況下出現爆炸或起火，將會造成嚴重的安全事故，危及乘員及周邊人員的安全。因此，通過針刺試驗評估電池在遭受銳物穿刺傷害時的反應，對于提高電池整體的安全性至關重要。針刺試驗不僅是一項安全性測試，同樣也為電池制造商提供了改進產品的機會。根據試驗結果，制造商可以識別電池設計中的弱點，進一步優化電池的結構和材料，使其在面對類似的物理傷害時具有更好的穩定性和安全性。此外，這種測試也為電池的安全標準設定提供了科學依據，對于推動行業內電池安全性能的提升具有不可忽視的作用。

3.3 鹽霧試驗

鹽霧試驗對于新能源汽車鋰離子動力電池系統而言，是一項至關重要的耐用性和安全性測試。這個試驗方法專門評估電池系統在面對鹽霧腐蝕環境時的表現及其對持續的鹽霧侵蝕的抵抗能力，同時驗證了電池系統在極端條件下的安全運行能力。進行鹽霧試驗時，測試環節細致而嚴格。首先，鋰離子動力電池系統被放置在一個密閉的試驗容器內，以確保測試環境的穩定性和一致性。試驗期間，容器內部的溫度被嚴格控制在35攝氏度，以模擬潮濕且熱帶的環境條件，因為這種環境條件最容易促進腐蝕的發生。同時，采用pH值在6.5至7.2之間的鹽溶液進行噴灑，這一濃度的鹽溶液既能有效地模擬海洋霧氣中的鹽分濃度，也能保證試驗的準確性與公正性。鋰離子動力電池系統在這樣的環境下暴露96小時，足以模擬長期受鹽霧環境影響的情況，從而對電池的耐腐蝕性能進行有效的檢驗。試驗完成后，并不是直接結束。電池系統需要通過自來水進行沖洗，以去掉表面殘留的鹽分，然后再使用飲用水或蒸餾水進行進一步的漂洗，以確保鹽分被完全清除。在清洗過程完成后，電池系統需要放在標準的大氣環境中干燥1至2小時，以復原到接近正常使用狀態的環境中。在整個鹽霧試驗過程中，鋰離子動力電池系統的穩定性和耐腐蝕性是被嚴格審視的。試驗要求電池系統不僅要能夠抵抗鹽霧環境的侵蝕，還要保證在這種惡劣的條件下不會出現外殼劈裂、銹蝕、起火或爆炸、泄漏等任何一種破壞性行為。這些要求不僅能評估電池的耐腐蝕能力，更能保障電池的絕對安全性。通過進行鹽霧試驗，能夠準確評估動力電池系統在遭遇海洋霧氣及類似腐蝕性環境中的穩定性和安全性。這一試驗對于新能源汽車的長期可靠性和安全性有著舉足輕重的影響，特別是對于那些經常在沿海地區或腐蝕性環境下運行的車輛來說，其重要性不言而喻。鹽霧試驗能確保動力電池系統即使在最嚴苛的環境條件下，也能保持良好的性能和極高的安全標準，為新能源汽車的用戶提供更多的保障，增加了消費者對新能源汽車技術的信任與依賴。

4 結語

隨著我國新能源行業的蓬勃發展，作為新能源汽車心臟的鋰離子動力電池的應用也迎來了爆炸性增長。它因其高效、環保的特性成為了新能源汽車的首選能源。然而，伴隨著其廣泛應用的同時，新能源汽車的安全問題也逐漸成為了公眾和行業內聚焦的焦點。尤其是關于電池安全的事件屢見不鮮，讓人們對新能源汽車安全性能的關注度大大增加。提高新能源汽車鋰離子動力電池的安全性是一個系統工程，需要技術人員過不斷的技術創新和標準完善，配合有效的監管和市場引導，為新能源汽車行業的健康發展營造良好的環境。在此過程中，鋰離子動力電池的安全性研究和檢測標準的建立和完善將扮演著極其重要的角色，為推動新能源汽車行業的可持續發展提供堅實的保障。

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