电动汽车锂（动力）电池火灾研究分析与对策

2019-07-22董学鹏程书国

商品与质量 2019年50期

董学鹏程书国

消防救援总队安徽合肥 230000

电动汽车大致分为纯电动汽车、燃料电池电动汽车和混合动力电动汽车。电动汽车的一个共同特点是汽车完全或部分由电力通过电机驱动，能够实现低排放或零排放。电动汽车的应用不仅能够满足人们的出行需要，同时还能保护环境节约能源，这使得我国政府大力推进电动汽车的应用。但人们对电动汽车的安全性存在质疑，尤其是在近些年频频出现消防安全事故的情况下。为了改变这一局面，应当加强电动汽车火灾的研究。

1 电动汽车动力电池火灾特点

电动汽车上使用的动力电池是一种储能装置，极易受到外界环境刺激和自身缺陷的影响而发生热失控，造成火灾或爆炸等灾害性事故。动力电池是电动汽车的核心部件，也是电动汽车中最大的火灾危险源，研究动力电池的火灾对于理解电动汽车火灾至关重要！电动汽车动力电池火灾具有如下特点：

1.1 燃烧迅速，持续时间长

根据NFPA（美国消防协会）的实验，动力电池着火时，火势仅仅数秒钟的时间就在动力锂离子电池模块内快速地蔓延，整个燃烧持续约27min。在对某种动力电池进行穿刺使其内部发生短路的实验中，发现在穿刺时会冒出气体；经过1-2秒将会喷出火焰，并且火焰持续升高。这充分说明了一旦电池内部发生热失效，其将迅速燃烧，且时间较长。

1.2 燃烧温度较高

动力电池一旦出现燃烧现象，其燃烧不仅迅速，还会释放出大量的热能。根据NFPA的实验，燃烧中电池外部最高温度可达283℃-1090℃，电池内部的温度可达572℃-1121℃，如此高的温度足以引燃电池模块内部和汽车内的其他可燃材料，产生更大的火灾，最终造成严重的生命财产危害。

1.3 燃烧猛烈

燃烧猛烈也是动力电池火灾的一大特点。在上述穿刺实验中，确定动力电池燃烧能够扩散5m的距离，并且喷射大量的火焰，如此猛烈的燃烧，必然会给周围造成严重的破坏。

1.4 释放大量有毒有害气体

在对上述穿刺实验进行观察的过程中，还发现动力电池燃烧会释放大量的气体。经过相关调查，确定所释放的气体中含有大量的烯烃、烷烃、醚等化合物，这些物质均具有不同程度的毒性。

1.5 扑救困难

对于动力电池而言，大部分燃烧反应发生在电池外壳内部，电池外壳阻碍了灭火剂发生作用，电动汽车动力电池一旦着火扑救将十分困难。

1.6 不同类型的动力电池有着不同的火灾特点

磷酸铁锂体系：需要外部火源才能引发火灾，反应速度缓慢，发烟量巨大。

三元电池体系：喷射火，无需外部火源，反应速度快，发烟量相对较少，燃烧温度高，通常伴随内部物质飞出。

对近5年来公开报道的电动汽车起火事件进行梳理，根据统计结果，有以下趋势：

电动客车的起火频次和占比自2015年开始，逐年减少，这与2016年初三元电芯被禁止用于电动客车，以及后续颁布的相关安全管理政策法规相关；

乘用车发生起火的频次和占比总体上升，2015、2016年车辆大多为客车，乘用车是后面才上量，基数上来了是一个因素；另外，这两年，大多采用的是三元电芯；

物流车变化的趋势与乘用车类似，物流车的起量也相对晚，物流车近2年的起火事故增加较多。

2 电动汽车动力电池结构特点及工作原理

电动汽车动力电池的直接作用是为电动汽车提供动力来源的电源，目前主要采用磷酸铁锂体系和三元体系锂电池。

2.1 动力电池结构特点

动力电池的结构可以分为三层：电池单体、电池模组和动力电池系统。

电池单体，构成动力电池的最小单元，是直接将化学能转化为电能的基本单元装置，包括电极、隔膜、电解质、外壳和端子，并被设计成可充电的。

电池模组，将一个以上电池单体按照串并联方式组合，且只有一对正负极输出端子，并作为电源使用的组合体；由电池单体和模块控制器组成，作为动力电池中的一个小模块。

动力电池系统，由电池模组、控制单元、采集系统、冷却系统以及其他机械装置构成的总成，是电动汽车中最重要的核心部件。

2.2 动力电池工作原理

电池单体主要由正极材料、负极材料、电解质和隔膜组成，主要依靠Li+在两个电极之间的充放电往返嵌入和脱嵌工作。电池充电时，正极材料中的锂脱出来，穿过隔膜进入到负极石墨中；电池放电时，锂离子又从负极石墨中脱出来，穿过隔膜回到正极材料中。

电池一般采用含有锂元素的材料作为正极材料，但有些材料化学稳定性和热稳定性较差，在过充、撞击、短路过程中很容易引发火灾及爆炸事故。除了正极材料外，负极材料的好坏直接影响锂离子电池的性能，传统碳负极材料易在电解液中形成固体电解质界面膜，引起初始容量的不可逆损失，降低首次充放电的效率，其次，由于碳负极的电位接近金属锂的电位，当电池过充时，碳负极表面易析出金属锂，从而可能形成锂枝晶，引起短路。

目前，电动汽车中最常见的动力电池是锂电池，而锂电池又主要分为磷酸铁锂电池和三元锂电池。磷酸铁锂电池具有安全性能高、高温性能好、大容量、无记忆效应、重量轻等优点，但同时，其能量密度低，一致性差。三元锂电池具有能量高、额定电压高、具备高功率承受力、自放电率低、重量轻、高温适应性强等优点，但其安全性差、不能大电流放电、生产要求高、成本高、高低温使用危险大。

3 电动汽车动力电池火灾危险性分析

电动汽车动力电池之所以能够发生上述特点的燃烧现象，与动力电池的特性及燃烧规律有很大关系。动力电池起火的主要原因是电池过热而造成的热失控。电动汽车由于充电以及出现意外事故，造成系统挤压、窜动、开裂、热冲击、漏电、燃烧、爆炸等，从而引起电池热失控，进而引发火灾。究其原因，总体上来说分为外部原因和内部原因两种。

3.1 外部原因

高温热冲击。电池直接暴露在高温环境下，影响电池的循环使用寿命和安全性，电池可能会发生短路。

过充电。电池在充电过程中会有少量的热量产生，正常充电时由于温度上升慢，散热及时不会发生危险。但是发生过充电时，电池温度会升高较快，促使电解液发生氧化分解，反应产生的热量又加剧电池内部的温升，如此反复循环，电池极易发生热失控。

机械滥用。机械滥用包括穿刺、挤压、跌落、震动等情况，实验证明，这些情况下电池有极大的可能性发生短路，并且瞬间释放大量的热。

浸水。当电动车遇到暴雨或其他涉水情况，电池包一旦密封性能不足时，电池间的接线可能会由于水或者水汽侵蚀，造成短路。一旦短路，电池温度迅速升高，引起燃烧或者爆炸的可能性就很大。

3.2 内部原因

大量试验结果证实，电池内部短路是导致正常使用条件下的电池发生燃烧、爆炸等危险行为的主要原因。常见的导致电池内部短路的因素包括：

（1）吸附在隔膜表面的导电粉尘。这是导致电池发生内部短路并最终发生火灾的最大隐患。当没能严格地控制电池装配车间环境，空气中就会存在大量激光焊接粉尘和极片粉尘。这些漂浮的粉尘有可能由于静电作用而吸附于隔膜表面，卷绕时夹杂在正负极之间。

（2）电池卷芯的正负极片有错位。设计电池极片时，负极片往往比正极片宽0.5mm-1mm，其目的是保证电池电芯中负极与之相对的正极边缘宽0.25mm-0.5mm，避免电池充电过程中负极边缘发生析锂现象。但在卷绕过程中没有精确地控制极片位置使得部分正极边缘较负极凸出，充电时很有可能析出锂，而发生内部短路。

（3）极片有毛刺。如果极片分切时极片边缘存在毛刺，并且在电池生产过程中并未造成直接的内部短路，往往因不能被发现而作为合格产品出厂。但在电池使用过程中，可能由于厚度不断膨胀收缩导致毛刺刺破隔膜而发生内部短路，从而引发安全性事故。

（4）负极表面析锂。为避免负极表面析锂，电池设计时负极片容量往往较正极片高5%-10%。由于负极表面存在空白涂点或者涂布不均，很有可能造成局部正极容量高于负极。这一部分负极表面在充电过程极易发生金属锂的析出现象,从而有可能造成电池内部短路。此外，电池低温充电或大电流充电时也非常容易导致负极表面析锂，造成内部短路。

4 电动汽车动力电池研究对策

动力电池的安全关系到很多方面，要从电池设计、制造、全生命周期管理，材料科学，车辆设计等多方面采取措施，才能真正有效的提高电动汽车动力电池的安全性。

在动力电池使用过程中，电池单体的一致性决定了电池模组的安全性。一致性偏差越大，动力电池的安全性就越差。同时，这种一致性的要求，不仅体现在新电池方面，对于电池生命周期的中后段要更加重视一致性的管控，因为经过多次使用后，电池单体的变化会很大，几千个电池单体间的差异会变大。差异越大，电池发生热失控的风险就越大。

锂电池在充放电和存储过程中，存在着温度、电流、电压上的安全工作区间。有必要对锂电池进行有效的监控、管理，保证其在安全的温度、电流、电压区间内工作。

对于动力电池,热失控是最严重的安全事故,电池热失控一旦发生，很难终止其反应，需要在热失控发生初期进行阶段性预警，可以采取不同防护手段抑制热失控的传播，如强化电池冷却系统、覆盖隔热层、隔绝空气来起到窒息作用等。

基于上述研究分析，建议加强以下几方面的对策研究，提高电动汽车动力电池的安全性。

（1）开发更好的电极材料、电解质材料、隔膜材料，提高其热失控温度；

（2）设计合理的结构，强化电池的散热，做好动力电池的热管理及结构安全防护；

（3）加强电池全生命周期内的一致性管控的研究，特别是中后期的；

（4）严格控制电池单体的品质，加强生产管控。