锂离子电池安全吗？如何提高锂离子电池的安全性？

为了避免锂离子电池在挤压试验中发生热失控，提高锂离子电池的安全性，就需要对锂离子电池在挤压试验中发生热失控的机理，进行深入的研究，从而对锂离子电池进行针对性的安全设计，从而提升锂离子电池在挤压试验中的安全性。

18650电池主要由三部分组成：安全阀、卷芯和低碳钢外壳。安全阀通常由正温度系数材料、铝安全阀和不锈钢正极端子、气体密封垫等组成，电芯由正极、负极和隔膜组成，在本试验中正极的活性物质的成分为LiCoO2。轴向载荷的加载速度为5mm／min，所有的试验电池在试验之前都已经完全放电（SOC＝0）。测试结果显示，18650电池在轴向压力测试中压力呈现出缓慢上升——快速上升——轻微下降——快速上升的趋势，而电压测试显示，18650电池在变形达到4mm的情况下才会发生失效，而且通过试验发现，18650电池的电压突降主要是由于电池内部短路造成的，而不是内部结构的断路。为了研究18650在轴向压力下失效的机理，JunerZhu还利用有限元软件对其进行了分析，模型中的材料主要采用了弹塑性模型，并且考虑了各种材料的各向异性的特点，模型中包涵了上百万的计算单元，轴向载荷的加载速度被设置为1m／s。仿真结果再现了在轴向载荷的情况下，18650电池变形的经过。首先电池的上盖区域的壳体开始发生塑性变形，在变形程度超过1mm后，变形的外壳开始挤压电池卷芯的上部，随着变形程度的增加，电芯开始出现变形，从而在压力曲线上出现了一个轻微的下降，然后随着电池壳体与电芯的接触面积的增加，使得压力曲线呈现了一个快速上升的趋势。CT扫描结果也很好的验证了上述分析，试验电池的变形主要发生在上部结构中，电池下改几乎没有发生变形。

碳纤维缠绕复合材料气瓶还具有以下优点：1）金属材料的疲劳破坏通常是没有明显预兆的突发性破坏，而复合材料中的增强物与基体的结合既能有效地传载负荷，能阻止裂纹的扩展，提高了气瓶的断裂韧性；2）复合材料中的大量增强纤维使得材料过载而少数纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上；3）复合材料气瓶在受到撞击或高速冲击发生破坏时不会产生具有危险性的碎片，从而减少对人员的伤害；4）无需特殊处理就能满足耐腐蚀的要求。

储氢罐保护：在储氢罐本身足够坚固的前提下，还需要给高压储氢罐的足够强度的固定支架和钢带，以保证在碰撞过程中，高压储氢罐的动态位移不会太大，避免造成连接管路的断裂、变形和氢气的大量泄漏。一般储氢罐保护系统采用整体式设计，整个框架通过3根横梁和2根纵梁将两个氢气罐集成到一个框架总成。纵梁截面为“Π”形，由几块板材拼焊而成，中部设计出两个圆弧形凹槽，可以对氢气罐进行有效的固定和保护。

氢系统管路：由于系统高压段压力已达35MPa，同时在氢加注过程可能出现压力冲高过程，因此在氢系统管路设计中也必须进行合适的选材。氢管路中大多采用316不锈钢材质的管路，有研究表明316不锈钢在85℃，45MPa氢气中的拉伸性能、低应变速率拉伸性能、疲劳性能和劳裂纹扩展性能与在惰性气体和空气中结果相似，即316不锈钢在室温下具有较好的抗氢脆性能。

燃气管设计：燃气管排出氢气的方向是顺延车底部的前后方向，可以保护车舱内不会被火焰殃及。这并不是新的设计，早在天然气车产生之初，便通过严格实验而产生的安全设计规范，已经应用很长时间，安全可靠。

燃料电池整车：严格的性能测试与密切的氢气监控体系确保车辆运行安全

多样化的安全性测试能确保燃料电池汽车出厂时的安全性和一致性。除了保证车载氢气系统安全性之外，相关的安全性检测在燃料电池汽车动力系统的开发方面也显得尤为重要。在燃料电池汽车出厂之前就要做多次安全性测试。

氢气泄露检测：由于氢气是一种低密度的气体，检查泄露最常规的方法就是液体检测，其方法与测试轮胎漏气部位的原理差不多。常规的检查方法就是向供氢系统通入氮气或氦气等惰性气体，这种气体密度小，而且活跃性低。之后进行水体气泡检测以及皂泡实验，对所有连接点进行有效测试。水体测验成本不高，实际效果也不错。灵敏度较高的检测方法有超声波、卤素火焰法以及氦质谱泄漏检测仪等，但是成本较高，而且测试过程中比较复杂，更多的是应用在高级车辆中。

系统振动检测：为了考察车载氢气系统的可靠性，以防燃料电池汽车在经历剧烈振动之后产生漏气现象。储氢瓶与燃料电池电堆都要进行一个整体的振动检测，统称为系统振动检测。其具体检测方式是在垂直方向采用8g（重力加速度）加速度，水平方向施加2g加速度进行振动检验，在持续经过指定的振动时间后，再检查整个系统的气密性。

追尾碰撞安全以及防追尾检测：如何预防并保证燃料电池汽车在发生追尾碰撞时，不会导致其氢气的泄漏、控制系统的失效以及电路起火，这些都是必须考虑的安全性问题。目前国内还没有系统的碰撞安全性能评价体系，不过结合国内外厂商所做试验和相关规范标准，一般燃料电池车辆要接受正面碰撞、偏置碰撞、侧面碰撞和追尾碰撞等多方面检测，然后对碰撞后的氢气泄漏率、电解液溢出量、储氢瓶位移等都需进行评价，保证燃料汽车在各类碰撞情况下的安全性和进一步的车身布置改进。

2010年世博燃料电池车辆安全检测实践（氢气超标情况监测）：早在2010年，上汽集团在世博会期间就对于世博示范运行的燃料电池汽车进行过安全检测实践。检测车辆140余辆，其中包括观光车100辆、轿车42辆和大巴车6辆。检测范围包括供氢系统氢安全、车内氢安全、零部件和管路氢安全、燃料电池发动机氢安全等多个方面。具体方式是将传感器分布在被检测车辆的各个部位，在车辆入库出库时进行系统的检测，得出氢气超标情况。结果显示燃料电池车辆在实际运行中，整体安全性很高，氢气超标情况多由于当时车体特性所致，不影响整车安全。

以某类轿车和大巴车为例，检测结果显示，轿车和大巴车分别共检测了3468次和1119次，其中轿车共超标62次，超标率约为1.79%，大巴车共超标16次，超标率约为1.43%。

氢气超标多发生在加注口和车轮轮罩及前轮机罩边缘处。（1）加注口特性影响：入库时车辆刚加满氢气，加注口因本身结构设计，导致会有少量氢气短时间内聚集，从而导致此时此处检测的氢气超标，是正常现象，不影响整车安全。（2）前舱外边缘超标：在入库检测时出现了多次前舱氢超标，经分析验证此处氢气来源于12V铅酸蓄电池氢气的释放。因检测温度为35°C以上，此种现象较为明显。但是也不影响整车安全。

统计结果见下图：其中以A、B、C、D、E、F、G、H分别表示轿车的各个位置。A：车周围；B：车轮轮罩；C：前轮机罩边缘；D：行李箱；E：乘员舱；F：手动排空管；G：排空管；H：加注口。

密切的监控体系确保燃料电池车在实际运行时的安全性：根据不同的要求，在燃料电池车上对氢气传感器类型、数量以及布置的位置均有一定的要求。燃料电池车氢气传感器核心感应元件都使用铂金制造，稳定性高。一般来说，出于对安全性能考虑，燃料电池车总共要求安装4个氢气传感器，而所有传感器信号需直接传送到仪表盘的醒目位置，及时通知驾驶员。

由于氢气传感器的测量原理不同，造成了其测量灵敏度及测量范围的差别，主要有半导体式、催化燃烧式、电化学式以及光化学式等。根据各种传感器的量程不同，又可以分为低量程传感器和高量程传感器。从灵敏度上看，低量程的反应比较快，并且在低浓度时反应比较明显。一般传感器的反应时间都在1s左右。传感器可以等效于两个电阻，一个是可变电阻，另一个为固定电阻。可变电阻随着氢气浓度、湿度和温度的变化而变化，其中氢气浓度和湿度对它的影响比较大。传感器的可变电阻随着浓度变大而变小（即信号端的输出电压也变大）。

以丰田Mirai的氢气传感器的布置位置为例：

1）一般传感器的报警值根据不同的位置和警戒等级，都设置都再2.5%的氢气爆炸下限LEL到12.5%LEL之间。报警系统自带蜂鸣器，泄漏传感器处于常供电状态，在不开车的情况下如果测到氢气泄漏，蜂鸣器可以发出报警声音。

2）一般警报装置有两套，且独立供电且结构简单，同时不工作的可能性很低，应该低于客机操作电传系统及其备份同时坏掉的概率。

在车辆发生碰撞的情况下，整车控制系统能通过车上安装的碰撞传感器信号将氢气供应系统切断，一般配备在动力控制单元（PCU）上。这一点与传统汽车在发生碰撞情况下自动切断油路系统一样。

与锂电池车辆相比，燃料电池车的安全性也处于上风。近年来，锂电池车辆事故常有发生，其最大的安全隐患就是产生自燃或者火灾，而形成原因是多方面的，电池内部短路或者锂电池在外界干扰下温度上升，容易产生气体状锂离子聚合物，其中包含了容易燃烧的锂离子气体和氧气，当聚合物的浓度达到临界点或者温度达到临界点，就会形成自燃。一旦锂离子聚合物燃烧，将不断发生链式反应，产生新的气体状锂离子聚合物，从而加剧燃烧的剧烈程度。

锂电池起火迅猛。通过研究发现，用单体锂电池做穿刺实验，电池在穿刺后即刻剧烈发热并冒出大量的浓烟，并在1秒钟后出现自燃，在5秒钟时因为剧烈燃烧出现爆炸的情况。

锂电池火灾特性复杂。锂电池的燃烧是锂离子聚合物，而锂离子聚合物属于金属和气体的混合可燃物质，其火灾特点非常复杂，传统的灭火剂不能对其产生扑灭效果。

锂电池起火有流动性。由于锂离子聚合物具有流动性，会充斥在电池箱的箱体内，起火点不确定，可不能被定向来进行扑灭。

相比之下，由于氢气爆炸要求浓度高，在爆炸前一般就已经开始燃烧，反而很难爆炸。而且氢气重量轻，溢出系统的氢气着火后会迅速向上升起，反而一定程度上保护了车身和乘客。同时，现在车用储氢装置采用的铝合金内胆碳纤维缠绕的储氢瓶安全系数很高，在80km/h速度多角度碰撞测试中都可以做到毫发无损。但锂电池在有安全措施的保护下，在常见的普通碰撞条件下也容易发生着火事故，侧面反映了其安全性上天然的劣势。