电动汽车锂电池热失控发生诱因及抑制手段研究进展

刘敏 陈宾 张伟波 陈晓宇 蒋旭吟

摘 要：锂离子动力电池系统具有能量密度高、循环寿命长、自放电率低而被广泛应用于新能源汽车产业作为动力的主要来源。然而，在实际使用中锂离子动力电池系统可能发生机械碰撞、挤压、针刺、过充电、过放电、内短路及过热等异常情况，由此造成的热失控极易引起动力电池系统着火甚至爆炸的危险情况。为此，本文对动力电池系统热失控的发生诱因展开研究，并着重分析国内外的研究现状及相关的抑制手段。

关键词：热失控;动力电池系统

1 引言

由锂离子电池组成的动力电池系统具有能量密度高、循环寿命长、自放电率小等特点而被广泛应用于新能源的各个领域，以减少温室气体的排放。然而，在实际使用中锂离子动力电池系统可能会发生碰撞、过充过放、短路等滥用情况，从而引发热失控现象的发生。

为防止热失控现象的发生，本文研究了动力电池系统热失控的发生诱因及相关的抑制手段。

2 动力电池热失控发生诱因

热失控是指电池单体放热连锁反应引起电池温度不可控上升的现象。造成动力电池热失控发生的诱因主要有机械滥用、电气滥用和热滥用。

2.1 机械滥用

动力电池系统的机械滥用情况，是指碰撞、挤压、穿刺、振动等外力作用下，锂电池单体、电池组发生变形，自身不同部位发生相对位移的情况。机械滥用发生后可能会撕裂电池单体隔膜，使电池单体发生内部短路现象。强烈的挤压和穿刺发生时电池单体的易燃电解质泄漏，则会引起电池包乃至电动汽车的燃烧。

2.2 电气滥用

2.2.1 外短路

动力电池系统的外短路一般是由于汽车碰撞引起的变形，浸水，导体污染或维护期间的电击等情况所引起，此时当存在压差的两个导体在电芯外部接通时，外部短路就发生了。外部短路释放的热量并不会直接加热电池，只有当外部短路产生的热量无法很好的散去时，电池温度才会上升，从而触发热失控。

2.2.2 过充电

动力电池系统的过充电主要是由于充电机故障、或BMS未能监控到每单个电池的电压而造成的。由于过充时电池的能量是充满的，所以过充电也是电气滥用中危害最大的一种。

2.2.3 过放电

动力电池系统的过放电主要是发生在BMS监控故障，导致最低电压的电芯被过放电的现象。在过放电期间，如BMS无法及时在电池组中具有最低电压电池单体达到截止电压时停止电池放电，则具有最低电压的电池可以被串联连接的其他电池强制放电，从而电池极点发生反转，电池电压变为负值，最终导致过放电的电池异常发热。

2.3 热滥用

动力电池系统的热滥用现象很少独立存在，往往是从机械滥用和电气滥用发展而来，并且是最终直接触发热失控的一环。一旦温度在滥用条件下异常升高，化学副反应就会发生，随后会产生热-温度-反应（HTR）循环（图1），最终形成链式反应，直至发生热失控。

图2显示了NCM/石墨电极、PE基陶瓷涂层隔膜的锂离子电池在热失控过程中的链式反应机理。温度升高过程中，SEI膜分解、负极与电解液反应、PE隔膜熔化、NCM正极分解、电解质分解接连发生。当温度升高到300℃时，隔膜的陶瓷涂层崩溃，电池的正负极直接接触造成大面积的内短路，则会瞬间释放电池的电能，导致电池发生热失控，严重时可能会伴随电解质的燃烧。

3 动力电池热失控抑制手段

针对动力电池热失控发生的机械滥用、电气滥用和热滥用这三大诱因，其抑制手段主要分为电芯材料修饰和外部预防管理两种。

3.1 电芯材料修饰

通过对电芯材料进行修饰阻断热失控的链式反应，从而提升电芯的抗热失控的能力，目前研究主要集中在对正极材料、负极材料、电解液、隔膜四大主材的材料修饰，如对正负材料进行表面包覆修饰防止正极材料和电解液的接触，对正极材料掺杂金属元素提高电芯的热稳定性，在电解液中添加阻燃添加剂，开发固态聚合物电解质，采用三层復合隔膜等。

对电芯材料进行修饰虽然可以从根本上提升电池的安全性能，但是一定程度上会影响电池性能的发挥，而且当强烈的机械滥用（如针刺）发生时，电池的热失控必然会发生，所以电池的外部预防管理也是十分必要的。

3.2 外部预防管理

针对热失控的外部预防管理措施主要分为结构设计预防、热管理设计预防和BMS监控三方面。

3.2.1 结构设计预防

结构设计预防热失控的主要预防手段有增加热障、振动隔离、碰撞防护以及增加气体排出点等。

增加热障主要是指在电芯或模组之间增加间隔组件，阻止电芯之间、模组之间的热传导的发生;振动隔离主要是通过结构设计的优化提高电池系统可靠性，比如安装框架提供额外的结构支撑、优化设计电极端子提高电气连接可靠性等;碰撞防护的要点是要在碰撞过程中保持电池包的结构完整性，一般有后部碰撞防护、侧面碰撞防护和正面碰撞防护，用以吸收或分散碰撞产生的冲击能量;增加气体排出点则是设计一个或多个在电池热失控事件期间打开的排气喷嘴，引导气体和电池材料流向远离乘员舱的方向，降低车辆损坏和相关人员的安全风险。

3.2.2 热管理设计预防

电池的散热效率对预防热失控十分重要，所以热管理设计预防主要是从抑制热扩散方面，减轻热失控对电池的损伤。相比较自然冷却和强制风冷，液冷是散热效率较高的一种热管理方式，所以增加液冷系统是一种有效预防电池系统热失控的手段。

3.2.3 BMS监控

BMS监控是一种针对电气滥用和热滥用的有效抑制手段。主要是通过提高电池状态的估计精度，避免过充放造成的热失控;并且设置温度分级报警，在热滥用发生之初，就对系统发出警告。

4 结语

为了确保动力电池系统的安全性，热失控的防护的机理研究和预防设计是必不可少的。目前，造成动力电池热失控发生的诱因主要有机械滥用、电气滥用和热滥用，而三者往往是关联发生的。抑制热扩散的手段主要有电芯材料修饰、结构设计预防、热管理预防和BMS监控等方式。在本文中着重对热失控发生的诱因及抑制手段展开了研究，总结了每种预防方法的要点。

参考文献：

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