新能源汽车锂离子电池的安全问题分析与探索

2019-02-11陈继永卢欣欣

时代农机 2019年11期

陈继永，卢欣欣

（江苏工程职业技术学院，江苏南通226007）

在当前国家政策的支持下，新能源汽车产业得到了快速发展，在锂离子电池的应用过程中也出现了许多由于维护保养不当所引发的安全事故。因此需要对目前锂离子电池应用于新能源汽车的安全问题作出分析，并积极研究有效措施保证锂离子电池的安全使用。

1 锂离子电池的组成材料与结构

锂离子电池的主要组成部分包括正极、负极、隔膜和电解液，上述材料通过特定的方式进行卷绕与堆叠，从而组成电池的外形。目前电动汽车所采用的锂离子电池主要包括三元锂离子电池与磷酸铁锂离子电池两种，其中三元锂离子电池正极材料由镍、钴、锰三种材料按照特定的比例组成，负极材料由石墨组成。在锂离子电池的组成材料当中，电解液对电池的安全性能具有显著影响，电解液的成分包括有机溶剂、锂化合物与其他添加剂。其中常见的电解液溶剂包括环状碳酸酯和链状碳酸酯等，锂化合物主要有LiPF6、LiClO4、LiBF4等，另外还包括各种类型的添加剂，能够起到改善电池性能的作用[1]。

2 新能源汽车锂离子电池的安全问题及解决措施

2.1 新能源汽车锂离子电池的安全问题

在新能源汽车的应用过程中，锂离子电池的主要安全问题为热失控问题，在温度达到70～120℃时，电池会发生鼓胀现象，当温度继续升高到150-200℃时，则会出现燃烧和爆炸事故。造成这一问题的原因在于电池进行充电和放电时，内部发生化学反应生成热量，如果此时不能有效散热，就会由于热量累积，使电池当中的反应加速，最终导致热失控问题。造成这一安全问题的具体原因主要包括两方面，一方面是由于电池的材料与生产工艺问题，另一方面是由于电池的使用方法不当。

（1）电池材料与生产问题。锂离子电池材料当中，不同的材料会对电池的发热能力产生不同影响。在锂离子电池组成材料存在质量问题，以及在生产过程中出现杂质，都容易造成电池的安全问题。其中电池的正极材料在氧化状态下进行放热分解同时产生氧气，负极材料在嵌锂状态与高温条件下与电解液反应。电解液本身含有易燃性很强的有机溶剂，在高温状态下很容易造成安全事故。同时，电池的生产工艺比较复杂，如果在电池的生产中电池内部含有金属杂质和毛刺，也会对电池的安全性能造成严重影响。

（2）使用过程问题。锂离子电池安全问题的最主要因素为电池的使用方式不当，主要原因包括过充、过热和机械损坏。

过充是造成锂离子电池安全问题的一项重要原因，根据相关研究，随着锂离子电池所处的环境温度升高，以及电池的充电循环次数增加，电池过充的危险性也逐渐加大。同时，锂离子电池在过度充电状态下，负极表面容易产生锂枝晶现象，如果锂枝晶穿透电池隔膜，就会造成正负极直接接触，引起短路和起火现象。

由于锂离子电池的组成成分具有很强活性，在遇到撞击时，很容易引起热失控问题。在新能源汽车的使用过程中，如果电池包受到撞击发生变形和损坏，就会引起电池的安全事故。

2.2 新能源汽车锂离子电池安全问题的解决措施

（1）改进电池材料与配件。锂离子电池的安全问题与电池本身的材料存在密切关系，因此可以通过改进电池材料，增强锂离子电池的稳定性，提升安全性能。其中可以分别对电池的正负极、电解液和隔膜材料进行优化。

目前锂离子电池正极所用材料主要有三元材料、改性锰酸锂和磷酸铁锂等，不同材料在安全性能、成本和使用寿命方面具备不同特性。电池的电解液与隔膜材料对于电池安全性能具有关键影响，其中可以通过在电解液中添加阻燃添加剂，提升电解液的稳定性。电池的隔膜材料具有防止正负极接触从而避免短路的重要作用，具体应选用具有良好热稳定性的涂层隔膜，比如在隔膜的制作过程中采用的湿法抄纸技术，在抄纸过程中加入阻燃剂，制成可再生的阻燃纤维素基复合隔膜，以及纤维素/聚芳砜酰胺复合隔膜，能够显著提高隔膜的安全性能。

（2）提高电池散热能力。锂离子电池的安全性能主要受温度影响，在温度过高状态下，会降低电池的使用寿命，并造成安全事故，因此要采取有效的方式提升电池的散热性能。具体应加强热管理技术的运用，对电池运行过程中的温度进行合理控制。新能源汽车可以采用气体冷却、液体冷却、热管冷却、相变材料冷却以及多种方式结合进行冷却的方法。其中，气体冷却主要包括自然对流、强制对流两种冷却方法，前者是借助空气自身密度原因造成的自然流动，后者是指依靠机械设备，通过加快空气的流动速度起到散热作用，例如风扇是一种常用的强制对流方式。气体冷却方法具有成本较低、安装过程简便的特点，但这一方式的主要问题在于空气的流入和流出过程中，本身会产生温度变化，容易对电池的一致性造成不利影响。

液体冷却是指运用具有高导热效率的液体进行冷却的方法，液体冷却相对于气体冷却的效率提升1.5倍以上，冷却液一般采用水和乙二醇等。在具体应用上，可以对液体进行密封，然后直接接触电池进行散热。还可以将装有冷却液的管道设置在电池模组周围，并通过热交换装置和水泵调节温度。

相变材料冷却既能够起到快速传导热量的作用，也能够对热量进行有效吸收。目前这一技术处于研究阶段，成本和安装方式相对较为复杂。

（3）设置监测系统和保护系统。电动汽车电池监测系统能够实现对电池电压、电流和温度的有效监控，从而使电池保持正常运行状态。比如可以利用温度与电压之间的关系，首先监测单体电芯的温度上升幅度，而后改变电压，计算电压下降速率，在下降速率小于0.2V/min时，说明此时处于过热状态，最后通过警报作出预警。除此之外，还要加强对于电池安全状态的监控，从而快速发现电池的异常问题。具体包括对电池破损的监控、内压增大与变形的监控等。目前国内外许多研究机构都进行过电池安全状态监控技术的研究，如日本NEC公司和我国东莞新能源电子科技有限公司等，电动汽车电池安全状态监控技术目前仍然处于研究阶段。

对于锂离子电池由于外部撞击引起的安全问题，可以设置相应的电池包保护系统，防止外部撞击引起电池变形或破损。比如一种保护框架在正常状态下包裹于电池外侧，具有能够活动的结构，在受到撞击时产生形变，起到保护电池的作用，该装置最高可承受16.2m/s的撞击速度。

（4）合理进行保养和使用。在应用技术手段解决电池安全问题的基础上，还要在电动汽车的使用过程中合理进行电池的保养和维护，避免由于使用不当造成安全问题。首先要定期检查电池固定螺栓和其他固定装置的牢固程度，避免在行驶过程中出现接触不良，还要严格按照使用说明进行电池充放电，避免在高温条件下充电，最后要定期进行检修工作。