新能源汽车电池热失控事故防护研究

马铖

摘 要：二氧化碳是造成温室效应的主要原因。而汽车燃料中含有碳元素，汽车尾部排气管会排放大量二氧化碳，所以燃油车的大量使用会在一定程度上加剧温室效应。随着全球环境恶化问题的日益凸显，新能源汽车研究和应用将成为未来汽车研发的主要方向。目前，市场上的新能源汽车主要依靠电池发电提供动力，这其中就面临着一个新问题——电池热失控。这种电池热失控可能引发汽车自然等安全事故，所以如何对新能源汽车电池热失控事故进行有效防护就成为研究重点。本文就从电池热现象的阐述出发，分析新能源汽车电池热失控事故，进而提出相关防护措施，以供参考。

关键词：新能源汽车 电池热失控 安全事故 事故防护

1 引言

新能源汽车事故与驾驶、乘车人员的生命安全、财产安全密切相关，随着新能源汽车的推广、应用，社会各界对其安全问题越发关注。因多数新能源汽车事故为自燃事故，而自燃事故的发生原因为电池存在缺陷、易引起热失控导致自燃，所以，如何解决这一问题成为新能源汽车企业需深入研究的课堂。下列就新能源汽车电池热失控事故案例进行分析，并提出相应防护策略，以期提高新能源汽车的安全性能，减少自燃事故的发生率，并为驾乘人员的人身安全提供保障。

2 电池热概述

热失控（thermal runaway），指的是电池单体放热连锁反应引起电池温度不可控上升的现象。其可划分为三个阶段，即自生热阶段（50℃-140℃），热失控阶段（140℃-850℃），热失控终止阶段（850℃－常温）。

自生热阶段，又名热积累阶段。其始于SEI膜的溶解，因负极及负极内包含的嵌锂碳成分暴露于电解液里，而嵌锂碳可与电解液发生放热反应，所以电池温度升高。

热失控阶段，当温度超过140℃后，正负极材料都会进行电化学反应，导致温升速度加快。外部可直接观测到电压的急剧下跌。短时间内，剧烈的反应生成大量气体、热，发生膨胀。热量向周围传播，热失控向其他电芯蔓延。

热失控终止，热失控一旦发生，只有待反应物耗尽，热失控过程才能自然终止。

3 新能源汽车电池热失控事故分析

3.1 典型案例分析

以汽车所处状态为依据，可将新能源汽车电池热失控事故划分为充电中热失控、静置中热失控、行驶中热失控三类。

案例1（行驶中热失控）：7月5日下午，上海市宝山区杨行镇蕰川公路北上海购物中心路段，一台小鹏P7在行驶过程中突发意外，车辆起火燃烧。从网络曝光的视频来看，这台小鹏P7的外观并无明显碰撞痕迹，车辆起火点位于前部底盘处，起初有大量白烟冒出，随后愈发严重，并最终出现明火。随后消防队员到场控制住了火势，但车辆前部已经完全损坏，车辆基本处于报废状态。

案例2（静置中热失控）：近日，北京石景山奥动杨庄换电站发生火情，引发关注。4月25日，奥动新能源就此事回应南都记者称，起火原因系充电舱内一块电池，在非充电时的静置状态下，因自身短路引发热失控。“此次事件造成一块电池因自燃短路被烧毁，另一块电池被温度异常波及，未对人员及车辆造成任何损害，亦未对该换电站及其周遭环境产生影响”。公司已于20日启动新一轮换电站安全自查，并启动24小时值班机制，落实安全排查与保障措施。目前，除石景山楊庄换电站外，北京市其他换电站均正常运营。

案例3（充电中热失控）：2023年2月4日午后，海南昌江黎族自治县石碌镇太坡铁路附近发生一起新能源汽车充电自燃事故。一辆正在充电的新能源汽车突然起火，并在几分钟内彻底烧毁，仅剩车架留存。消防救援部门在5分钟内赶到现场，并随后扑灭起火车辆，本次事故并未造成人员伤亡。当事人表示：自己正在等车辆充满电，但在充了一个多小时后，正在充电的车辆突然出现冒烟起火。起火后，自己试图对车辆施行紧急灭火，但未起到明显效果。随着火势逐渐扩大不可控，随后路人拨打电话报警。

3.2 新能源汽车电池热失控事故的原因

电池热失控的主要诱因为短路，而电池短路的原因较多，主要为：（1）非纯净水进入电池系统，因其为导电介质，浸水耦合作用导致拉弧，所以电池壳体被击穿，并出现电解液泄漏现象，电解质接触空气后发生燃烧。（2）电池系统受到挤压穿刺，隔膜机械被破坏，正负极接触导致短路。（3）快速充电时，负极快速析锂，其与电解液发生反应后快速放热。因析锂现象可导致枝晶伸展刺穿隔膜，所以可引发电池短路。

上述提到的电池短路方式皆指的是电池本身无问题时，受外界因素影响而导致的热失控，分别对应的是汽车浸水引起的自燃事故、汽车碰撞引起的自燃事故、汽车充电引起的自燃事故。

部分车辆出现热失控事故的原因为电池本身存在问题，使用时间一长，电池出现老化现象，因热量缓慢积累引起了电池热失控事故。该类事故发生时，车辆或处于行驶过程中，或处于静置过程中。

3.3 新能源汽车电池热失控事故的特点

根据事故发生时间，可将新能源汽车电池热失控事故分为快速热失控事故、缓慢热失控事故两类，其特点如下：

（1）快速热失控事故的特点：快速热失控事故包括浸水、碰撞、充电引起的自燃事故。其主要特点为发生快、易产生爆炸、危险度高。锂电池燃烧可点燃车辆内饰，产生大量有毒气体，直接对驾驶人员、乘车人员的生命安全造成了影响；且因此类事故常见于车祸等情形，所以数分钟后即可起火燃烧；此外，部分电池容量较大，易产生爆炸。

（2）缓慢热失控事故的特点：缓慢热失控事故是因电池老化导致的短路，是一个缓慢的热积累过程，所以事故发生时，车辆会逐步出现白烟、异味。因此，其典型特征为：车辆逐步出现白烟、异味。

4 新能源汽车电池热失控事故防护措施

新能源汽车电池热失控事故防护措施有二，一为国家进一步设置强制性国家标准，通过强化新能源汽车安全要求加强监管约束，确保动力蓄电池具有较强的安全性能；二为车企从材料、电芯、模组、系统四个方面入手对电池热失控进行阻隔，从而降低电池热失控事故的发生率，具体如下：

4.1 国家标准中对新能源汽车安全要求

新能源汽车与可持续发展战略的要求相符，可在满足人民群众的出行需求的同时减少能源消耗、尾气排放。但新能源汽车电池热失控事故的频繁发生导致人民群众对新能源汽车的安全产生了质疑，且影响了新能源汽车的推广应用。因此，国家相关部门需强化新能源汽车安全要求，以此加强监管约束。

《电动汽车用动力蓄电池安全要求》中明确规定：电动汽车企业需对汽车动力蓄电池进行多种情形（过充、外部火烧、浸水、挤压、湿热循环、模拟碰撞等）下的模拟试验，在完全通过模拟测试后，才可对动力蓄电池进行大规模生产。同时，为降低新能源汽车自燃事故对驾乘人员的影响，《电动汽车用动力蓄电池安全要求》中还特别增加了电池系统热扩散试验，明确要求电池单体发生热失控后进而引发热扩散危及驾乘人员生命安全之前五分钟，应提供报警信号，为驾乘人员预留逃生时间。实践中，如果热扩散不会危害驾乘人员的人身安全，则视为满足此条要求。

在如此严格的要求下，电动汽车企业就动力蓄电池进行深入研究、探索，不断提高了动力蓄电池的安全性能。目前，已有数家车企通过测试。

4.2 现阶段新能源汽车电池热失控防护措施种类及原理

现阶段新能源汽车电池热失控防护的原理为：从不同层面阻隔热失控，防护措施可简单分为材料、电芯、模组、系统四类。

4.2.1 材料

选择安全性较高的电池材料可降低热失控现象的发生率。磷酸铁锂材料满足相关目标，所以，当前的新能源汽车电池划分为了两种技术路线，一为继续采用高镍三元电池，其通常被应用于高续航车辆中，但安全性能较差；二为采用磷酸铁锂电池，其与前者相比具有安全性能高、价格低廉的优势，但其不足也相对明显，即：能量密度低。

从新能源汽车电池热失控防方面来看，铁锂材料明显优于三元材料。具体而言，磷酸铁锂在400℃以上出现显著的放热峰，热稳定性较强；镍三元材料的放热峰出现在230℃、306℃，热稳定性较差。所以，可采用磷酸铁锂材料增加电池安全，做好新能源汽车电池热失控防护工作。

4.2.2 电芯

电芯为构成电池的最小单位，指的是含有正、负极的电化学电芯。在电芯内部进行热失控防护时存在较大难度，因为其为电池的最小模块，而高能量密度与续航有关，所以车企以高能量密度为目标，其设计日趋逼近极限。因此，电芯空间较小，无法增加防护措施。为解决这一问题，将新能源汽车电池热失控防护工作落到实处，车企进一步增大了电芯尺寸、提高了能量密度，并在其内部填充了大量的活性物质，导致电芯内部设计逼近极限。发现该问题后，车企转向其他方向继续研究。目前，在电芯内部增加防护措施的方式正逐步被车企所放弃，模组级热失控防护措施得到了推广应用。

4.2.3 模组

模组，指的是电芯组合排列后形成的整块电池系列组合。模组热失控的关键是阻止电芯间的热扩散。以某汽车的模组热失控防护设计为例，其通过不同圆柱电池的排列组合成模组。采用圆柱电池可最大限度地减少电池间的接触面积，可为电池间排布水冷管、隔热棉提供便利，从而达到阻止电芯热扩散的目的。

4.2.4 系統

系统级热失控方案是指从汽车整体结构出发进行热失控防护。就目前情况而言，系统级热失控方案有布置热感应监测装置、增加应急冷却系统两种。

布置热感应监测装置的目的是监测汽车电池放热情况、判断车载电脑，若出现失控风险，可及时予以提醒，使驾乘人员快速逃生。

增加应急冷却系统可通过灌注冷却液阻断热失控反应。比如，可在电池泄压阀上方布置应急冷却系统，当发生热失控现象时，可迅速灌注冷却液，避免电池进一步反应。但其需占据电池空间，所以其在追求能量密度的“竞赛”中的竞争力较弱。此外，增加应急冷却系统的复位费用较高。即：一旦应急冷却系统启动，冷却液装置、电池模组等皆需进行更换，且需对汽车进行清洁、维修。

5 新能源汽车电池热失控防护措施发展路径

目前，新能源电池热失控防护措施的桎梏主要为：能量密度与安全的平衡。虽然磷酸铁锂材料、应急冷却系统皆可提高动力蓄电池安全性能，但其牺牲了能量密度，导致新能源汽车的续航里程受到了影响。而新能源汽车的痛点一直是续航里程，而且消费者具有里程焦虑。因此，新能源车企的未来技术发展路线为：尽可能提高续航里程、动力蓄电池安全性。

新能源汽车电池热失控防护措施发展路径有三，一为采用新型材料改善热稳定性，尽可能提高续航里程、动力蓄电池安全性；二为使用复合集流体替代传统集流体，增强电池阻燃性，提高电池能量密度；三为使用固态电解质替代液态电解质，在提高电池热稳定性的同时减少漏液现象发生率、提高能量密度。

5.1 采用新型材料改善热稳定性

除磷酸铁锂材料、镍三元材料外还有很多化学材料，相关工作人员可对化学材料进行进一步的研究及探索，尽可能提高续航里程、动力蓄电池安全性。比如，可尝试运用磷酸锰铁锂材料为电池材料，磷酸锰铁锂材料可充分提高材料的热稳定性，且其与磷酸铁锂材料相比具有更高的能量密度。此外，该材料可与镍三元材料混用，可在提高电池安全性的同时借助镍三元材料保障新能源汽车的续航里程。

5.2 使用复合集流体替代传统集流体

电池上的集流体是指金属箔。传统集流体材料多为铜箔、铝箔，其占电池单体重量的15%左右，且易引发电池热失控事故。基于此，相关专家及学者提出复合集流体的概念，并鼓励车企使用复合集流体替代传统集流体。复合集流体隶属于叠层结构，中间支撑体层材料为涤纶树脂、聚萘二甲乙二醇酯、聚丙烯，支撑体层两侧采用的材料为金属镀层。同时，中间层添加了溴系阻燃剂、含溴磷酸酯、阻燃涤纶树脂，因此其具有较强的阻燃性。此外，其可充分减轻集流体重量，进一步提高电池能量密度。

5.3 使用固态电解质替代液态电解质

固态电解质的热稳定性较高。而新能源汽车电池热失控防护需以提高热稳定性为入手点，所以，可使用固态电解质替代液态电解质达到良好的防护目的。此外，使用固态电解质的电池电压平台高于使用液态电解质的电池电压平台，且其与高压电极材料具有较强的适配性，能够充分提高电池能量密度。这是因为固态电解质不具备流动性，不会出现漏液现象，并能在一定程度上降低电池重量、体积，所以有望提高能量密度。

不過，固态电解质电池的应用方面也面临着一些问题，比如：导电率较低，无法做到快速充电；又如，物理表面接触性较差，对其电化学性能的发挥造成了影响，而且严重时可对固态电池的使用寿命造成影响。因此，相关工作人员需进一步对固态电解质进行研究，以期早日实现大规模生产、运用。

6 结语

综上所述，新能源汽车可减少汽车尾气排放，为人类的可持续发展提供保障。但随着其投入使用，新能源汽车的安全问题越发受到社会各界的关注。由于自燃事故为主要的新能源汽车事故，动力电池热失控是新能源汽车自燃事故的主要原因，所以上述进行了深入研究，提出了两个防护措施，即：国家进一步设置强制性国家标准，通过强化新能源汽车安全要求加强监管约束；车企从材料、电芯、模组、系统四个方面入手对电池热失控进行阻隔。不过，新能源电池热失控防护措施的桎梏主要为：能量密度与安全的平衡，所以，车企需进一步进行研究，在提高续航里程的同时为汽车动力蓄电池的安全性提供保障。

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