電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
■當電池溫度過高或充電電壓過高時，比如出現碰撞、短路和過充，負反應就會被引發。
此時電池內的熱量如果得不到及時疏散，就會引起電池內溫度和壓力急劇上升。
■想要提高電池的安全性，需從三個層面入手：材料、單體、系統。
80多例
2011年—2018年9月間，我國電動乘用車事故達80多例
35%
其中35%由電池內部短路引發
16%
充電中的問題，如過度充電，占16%
18%
另有18%事故由機械外力引發，如碰撞
從333型到523型再到811型，市面上鎳鈷錳三元電池的正極材料比例越來越“失衡”，電池的能量密度越來越高，里程越來越長，安全問題卻也頻現，成為動力電池發展過程當中繞不過的一座“大山”。
煙霧、火災甚至爆炸，都是最常見的鋰電池事故特征，而這些故障的根源大都來自于電池熱量的“失控”。要怎么樣將電池內的熱管理工作做好，為電池中的熱量分子們戴上“緊箍咒”，已成為將來處理動力電池安全的必答題。
電動車自燃事故頻發
電動車事故儼然已不有哪些清新事。1月30日，長沙市雨花區鑫天佳園小區5棟架空層處，一排正在充電的電動車猛然起火，7輛電動車瞬間被燒成骨架。對此，充電樁公司維護工作人員翁師傅認為，“可能是電動車自燃引起的，因為充電樁有自動斷電關閘的功能。”2018年8月，該小區安裝了兩臺智能充電樁，每天都有幾十臺車在此充電。
時值寒冬，動力電池尚且“控制”不住自己燃燒的“心”，在火熱難擋的盛夏就更“難以自制”了。據不完全統計，在2018年8月，僅半個月的時間內就發生了6起電動車起火事件：8月19日，深圳一輛微型電動面包車在充電過程中起火；8月22日，山東聊城一輛快遞電動貨車著火；8月25日，成都一輛威馬EX5在威馬汽車研究院園區內發生自燃；8月26日，安徽銅陵一輛安凱電動客車在路邊起火；8月28日，一輛正在充電的廂式電動車起火；8月31日，廣州街頭一輛力帆650EV起火……
動力電池的自燃“屬性”令人不得不對新能源汽車的安全性打上一個“問號”：動力電池究竟因何而自燃？中國汽車技術研究中心首席專家王芳提供的數據顯示：2011年—2018年9月間，我國發生的電動乘用車事故達80多例，其中35%是由電池內部短路引發的；16%則是在充電過程中出現的，比如過度充電；18%為機械外力因素的影響，如碰撞；還有3%為進水；剩下的則是由不明原由造成的。
電池熱失控是“罪魁禍首”
“鋰電池安全與否，歸根究竟取決于電池能否避免熱失控。”武漢大學教授艾新平解析，在鋰離子電池中，除了我們熟知的正常充放電反應外，還存在著潛在的負反應。在電池的正常溫度和正常電壓范圍內，不會發生這些負反應；但當電池溫度過高或充電電壓過高時，比如碰撞、短路和過充，這些負反應就會被引發。此時電池內的熱量如果得不到及時疏散，就會引起電池內溫度和壓力急劇上升。
“溫度越高，電池負反應的反應速度就越大，最終導致電池進入一個無法控制的自加溫狀態，也即熱失控狀態。它是導致電池發生爆炸和燃燒的主因。”艾新平進一步解釋。
“在電池正常放電的情況下，我們通過測量不同充放電倍率下的物理產熱現象，發現電池運作所萌生的熱量如果不及時導送出去，就會使電池體系溫度升高，引起電池的化學反應，最后造成電池的失控。”中國科技大學教授孫金華對此持相同觀點。
據知道，目前市面上能被工業化使用的電池種類主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元等，其主要區別就在于所使用的正極材料不同。“采用不同的正極材料，鋰電池的安全性就不同。”艾新平解釋，這是由于正極在電池中所占的質量比是最大的，常規來說放熱量也是最大，“因此正極材料的選擇對電池的安全性影響非常大。”
三個層面進行熱管理
“要提高電池的安全性，需從三個層面入手。一是材料層面，二是單體層面，第三個層面是系統層面。”艾新平解析，在材料層面，要重點提高材料和界面的熱穩定性，降低其產熱量；在單體層面，除優化電池熱設計外，更緊要的是發展熱保護技術，如PTC電極、熱封閉隔膜等；在系統層面，則需重點開展隔熱設計，戒備熱擴展。
研究聲明，在對電池系統的熱分解中，磷酸鐵鋰的熱穩定性從材料上來講是最好的。“電池的安全性首先取決于自身材料的安全性。”上海交通大學特聘教授馬紫峰指出，要增加電池的安全性，高能量的電池就可能需要在系統設計當中加入特定的保護裝置，比如說冷卻系統、防爆系統等。
在單體層面，除了常規的熱安全設計外，更緊要的是要建立單體自激發熱保護。“讓單體能依據自身感受的溫度，調整自己的電流輸出或功率輸出。電池如果可以封閉反應，其產熱也就終止了。”艾新平指出，PTC熱敏電阻材料的一個緊要特征就是溫度升高到一定程度時，該材料就會從一個良好的導電態變成絕緣態，這將是單體熱保護技術中的緊要路徑之一。
除材料和單體的影響，系統也是電池安全性熱管理中不可缺失的一環。“在系統中，對電池狀態的估計非常緊要，要用數學模型將其精確描述出來，并與電池的模型中的材料化學體系對應起來。”馬紫峰表示。
“提高材料或界面的熱穩定性，開發單體自激發熱保護技術，以及系統熱擴展防范技術，可有效改善電池系統的安全性，將來需增強研究。”艾新平表示，電池的安全性問題將伴隨電池比能量提高而變得愈加嚴峻，但不應由此否定動力電池技術路線和發展趨勢，正確面對并積極探索一些新的安全性技術，以促使電池技術進步。
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