新能源汽车电池热失控事故分析及防护对策

新能源汽车电池热失控事故分析及防护对策

韩辉辉

深圳博磊达新能源科技有限公司 深圳市 518000

摘要：目前，随着不可再生资源日益枯竭，节源环保意识提升。新能源汽车受到民众的青睐，其中，动力锂电池组凭借其比其他电池组有着更优秀的性能成为各大汽车厂商首选的新能源汽车动力源。然而根据2019年统计的新能源汽车自然数据中，与动力电池安全相关的新能源汽车安全事故达40余起，而由于电池热失控引起的动力电池安全事故为主要原因之一。另外新能源汽车在行驶途中面对复杂路况时其动力电池组势必处于负载情况下会因电池内阻产生大量的热能，导致锂电池的电解液气化，从而导致热失控现象发生。因此需要设计一种电池组可动态调节电池的温度的状态，避免高温电池电解液气化和低温锂电池性能下降。

关键词：新能源汽车；电池热；失控事故分析；防护对策

1  新能源汽车电池热失控事故问题分析

1.1新能源汽车电池热失控事故原因

根据清华大学电池安全实验室发布《2019年动力电池安全性研究报告》指出，电池热失控的主要诱发原因是短路，占比高达90%以上。电池短路可由多种因素导致，主要有以下三类：第一，电池系统进水，非纯净水为导电介质。浸水耦合作用导致拉弧，击穿电池壳体导致电解液泄漏，遇空气发生燃烧。第二，电池系统受到挤压穿刺，导致隔膜机械破坏，正负极接触导致短路。是最为危险，热失控发展最快的一种短路方式。第三，快速充电过程中，可能导致负极快速析锂，活性高、与电解液发生反应快速放热，析锂现象同时导致枝晶生长刺穿隔膜，引发短路。

1.2新能源汽车电池热失控事故特点

新能源汽车热失控事故，依据事故发生时间可以大致分为两类，一是快速热失控事故，即由于浸水、碰撞、穿刺导致电池结构受损，多电芯同时短路，快速发生热失控，进而形成较大规模的燃烧放热甚至爆炸。此类事故具有发生快，危险性大，易产生爆炸的特点，锂电池燃烧点燃车辆内饰产生较多有毒气体，具有较强的人身危害性。消防应急救援过程中，此类事故常见于车祸等情形，碰撞引发车辆快速起火，往往车祸发生后数分钟之类即可起火燃烧，部分高续航车型因携带电池容量较大，甚至有爆炸危险。二是缓慢热失控事故，由于充电、电池老化导致的短路，是一个缓慢热累积的过程，汽车热管理系统逐步失效，最终累积至临界温度，此类事故常见于行驶过程中车辆自燃或者静置时自燃，车辆逐步出现白烟、异味是一典型特征。

2新能源汽车电池热失控防护措施

针对新能源汽车热失控问题，国家通过设置强制性国家标准进行监管约束，企业亦不断投入研发资金力图有效解决此安全问题，从而更好地提升新能源汽车安全性。

2.1国家标准中对新能源汽车的安全要求

2021年5月发布的新国标GB38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》中，规定了对其动力蓄电池进行振动、机械冲击、模拟碰撞、挤压、湿热循环、浸水、外部火烧、过充等多种情形下的模拟实验，只有经过模拟测试的动力蓄电池才能获批进行大规模生产销售。此外，此次国标中特别增加了电池系统热扩散试验，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5min，应提供热事件报警信号，此条文同时指出汽车出现热失控直至完全热扩散之前，至少应有5min的安全缓冲时间，为驾乘人员预留安全逃生时间。另外，若汽车热扩散不会危及驾乘人员生命安全，则视为满足此条。国家标准中，使用过程中针刺测试是最难通过的一项测试，即要求电池在使用过程中，进行物理针刺测试，若针刺后无起火爆炸现象即为通过，目前已有数家车企通过测试，并进一步探索开发“永不自燃”电池包方案。

2.2现阶段新能源汽车电池热失控防护措施种类及原理

首先是材料，磷酸铁锂材料能显著增加电池安全性，降低热失控可能。现阶段新能源汽车电池已分化为两种技术路线，各有千秋。高镍三元电池容量高，是高续航车辆的首选，但其安全性能较差。与之对应，磷酸铁锂电池能量密度低一些，但安全性能高、价格低。材料热稳定性是热失控防护的基础，铁锂材料的热稳定性明显优于三元材料。依据两种材料的热重-质谱分析曲线可以看出，磷酸铁锂在温度400℃以上才出现显著的放热峰，热稳定性较为优秀。对比之下，经典比例镍三元材料的热重曲线，NCM811的放热峰出现在230℃左右，NCM111的放热峰出现在306℃左右，镍三元材料的热稳定性明显劣于磷酸铁锂。

电芯指单个含有正、负极的电化学电芯，是构成电池的最小单元。电芯内部空间较少，热失控防护措施较难开展。电芯作为汽车动力电池的最小模块，其设计已日趋逼近极限，各生产厂商追求高能量密度，电芯层级无空间增加防护措施。为了满足电池容量的需要，电芯的尺寸日渐增大，同时电芯的体积能量密度也日趋增高，内部填充的活性物质也越来越多，内部设计逼近极限，在电芯内部增加防护措施严重影响能量密度影响，正逐步被各厂商所放弃，取而代之的是模组级热失控防护。

系统级热失控方案指的是站在汽车整体结构考虑热失控防护，一方面布置完善的热感应监测装置，对汽车电池放热情况进行监测，并运用车载电脑进行判断，一旦有失控风险，及时报告驾乘人员。另一方面是增加应急冷却系统，大量灌注冷却液可以在热失控初期阻断反应，防止自燃发生。可以在电池泄压阀上方布置应急冷却系统，一旦发生热失控，即可迅速灌注冷却液阻止电池进一步反应。但此方法需要占据一部分电池空间，在追求能量密度的电池

“军备竞赛”中，目前来看此方法缺乏经济意义上的竞争力。另外，此方法还有复位费用高的问题，一旦冷却液灌注系统启动，电池模组、冷却液装置皆需要更换，加之还有清洁费用，维修成本高，重置成本过大。

2.3新能源汽车电池热失控防护措施的桎梏

现阶段新能源汽车热失控防护措施的主要桎梏与限制因素在于如何在能量密度与安全性上取得平衡。无论是使用磷酸铁锂材料还是冷却液系统，皆可以显著提升动力蓄电池安全性，国内某B品牌车企基于磷酸铁锂材料出品的“刀片电池”将安全性能提升一个层次，电池在极端环境下依然能保持稳定状态。但这些方案都牺牲了能量密度，从而导致汽车续航里程缩短[4]。对于新能源汽车而言，续航里程一直是一大痛点，不少消费者皆有“里程焦虑”，从而选择高续航车型，但要做到高续航，便无法兼顾热失控防护。因此，未来技术发展的路线，一定是围绕着在尽可能提升续航里程的同时保证安全性，目前来看，已有几种方案可以在兼顾安全下进一步提升性能。

3新能源汽车电池热失控防护措施发展路径思考

3.1采用新型材料改善热稳定性

目前已有使用磷酸铁锂材料改善电池热稳定性的方案，再进一步，可以使用磷酸锰铁锂作为电池材料提升材料热稳定性。磷酸锰铁锂与磷酸铁锂相比具有较高的能量密度，在完全充放电的情况下，能量密度高15%~20%，两者的放电容量相近，但磷酸锰铁锂平台电压更高。此外，磷酸铁锂不可以与镍三元材料混用，磷酸锰铁锂则可以与镍三元材料混用，磷酸锰铁锂的颗粒粒径远小于镍三元材料，通过使用磷酸锰铁锂包裹、隔层、包覆镍三元材料，可以提升其安全性能，同时借助镍三元材料的高能量密度，又能显著提升电池性能，达到二者得兼的目的。

3.2使用复合集流体替代传统集流体

集流体，是指汇集电流的结构或零件，是锂离子电池的重要组成部分，在锂离子电池上主要指的是金属箔，如铜箔、铝箔。现有集流体材料多为铝箔和铜箔，占锂离子电池单体重量的15%左右。可以采用复合集流体替代传统集流体，复合集流体是叠层结构，类似“三明治”结构，中间支撑体层材料通常为为涤纶树脂或聚萘二甲酸乙二醇酯或聚丙烯，支撑体层的两侧为金属镀层。复合集流体中间层通过添加溴系阻燃剂、含溴磷酸酯，或采用阻燃涤纶树脂，从而具备阻燃性。另外，采用复合集流体可以减轻集流体重量，降低集流体成本，从而提升电池单体质量能量密度，进而兼顾能量密度与安全性。国内某品牌手机厂商已运用此技术与手机电池之中，取名字叫“夹心式安全电池”，采用的是在一层新型高分子复合材料的基础上，镀上两层铝，再涂上安全涂层，形成一个五层安全结构的“三明治”夹心集流体。不过手机电池容量与新能源汽车动力电池容量自不可比，如何将手机成熟技术推广至汽车动力电池，尚有一段路程要走。

3.3使用固态电解质替代液态电解液

相对于液态电解液，固态电解质热稳定性更高。与一般锂电池不同，固态锂电池由正极、负极、固态电解质构成。相较于液态电解液，固态电解质燃点更高，因此热稳定性强于液态电解液；其次使用固态电解质的电池电压平台高于液态电解液，能够适配高压电极材料，电池能量密度得到显著提高；最后是固态电解质处于固体状态，不具有流动性，不会出现漏液现象，简化电池设计，降低电池重量和体积，从而有望进一步提升能量密度。但固态电解质电池现阶段也有无法克服的问题，一是固态电解质电池导电率低，难以进行快速充电。二是固态电解质电池物理表面接触差，液态电解液的流动性能赋予电极材料更好的离子通路，而固态电解质与和金属锂固态下均不具有流动性，二者接触面存在许多微型孔洞，形成较大的界面抗阻，对固态电池的电化学性能产生较大的影响，严重时会降低固态电池的使用寿命。因此，固态电解质距离大规模量产运用，尚有一段技术道路要走。

结束语

随着我国环保“双碳”目标的提出，新能源汽车产销量日趋上升，其电池热失控问题亦日趋突出，近年来数十起新能源车自燃事件便是佐证。通过对新能源汽车热失控案例进行分析，总结其事故原因与特点，并对比分析现阶段电池热失控防护措施，提出兼顾能量密度与安全性需求才是未来电池热失控防护措施的发展方向，并对未来可行的技术路径进行前瞻分析。

参考文献

[1]张微. 新能源汽车电池技术发展瓶颈分析及对策研究[J]. 金属功能材料,2021,28(01):78-84.

[2]郭锐. 新能源汽车锂电池热失控参数的提取及验证研究[J]. 消防技术与产品信息,2018,31(09):12-15.