导致电池热失控的内因和外因分别是什么？
来源：宝鄂实业
2019-07-16 11:15
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前不久特斯拉在地库发作自燃的新闻引起极大颤抖，而之后蔚来ES8、比亚迪e5也相继爆出自燃事端，使电动车的翻开蒙上暗影。电动车或者说锂电池真的那么不安全吗？
电池在充放电时，电池材料也在不断衰退，所释放的能量也会使电池热量提升。材料科学与工程教授KyeongjaeCho博士表示，“只有电池阴极材料的表面才是问题所在，电池内部没有问题。”锂电池主要由正极、负极、隔膜和电解质组成，锂离子则通过电解质在电极两端游移，在电池充放电时，电池表面材料会释放氧气，进而产生金属镍粉尘。但锂离子的传输通道被镍粉尘堵塞时，导致电池容量就会快速下降，随着热量的增加，电池起火和爆炸的几率也会增加。
KyeongjaeCho博士称，可以在电池材料表面添加氧化物涂层，重新建构电池的结构，这也是保障锂电池安全的方法之一。此举可将电池容量提高20%至30%，改造后的电池可以经受住更长的充电时间。但问题是，研究与实验所耗费时间会相当长。
抛开概率谈安全都是耍流氓，电动车毕竟是新生事物，统计数据尚不满足，一些个案并不能够完全代表整个电动车群体的安全性。因此这篇讲堂仅仅为咱们科普一下锂电池或许存在的安全风险以及为了防范这些风险，车企、作业、国家都做了哪些极力。
☆和汽油相同，锂电池本身是易燃品
三元锂电池的粘结剂、导电剂、电极活性物质的燃点较低，操作不当时极易被点着，发作热失控后热解气体的爆破极限规划比常见烃类气体还要大，而且单节锂电池热失控的气体开释量就能抵达爆破下限，然后发作剧烈的焚烧爆破。
三元锂电池热失控之后热量开释快，1分钟内就可开释锂电池内部70%的能量，火焰温度高或是迅猛，且电池单体构成的火焰会从正极喷发然后导致周围电池失控发作连锁反应，致使火灾发作后活络进入剧烈焚烧阶段。高达800℃以上的火焰（惯例汽油车约为400℃）极易点着轿车内饰或其他零部件，且电池平铺在车辆底盘，分布广、影响也就大。

锂电池电解液大多是碳酸二乙酯、乙醚、碳酸丙烯酯等沸点较低的可燃有机溶剂，高温下易挥发构成多种甲苯、苯乙烯、一氧化碳、氟化氢等有毒有害气体。

三元锂电池的焚烧救活困难，锂电池热失控时一般伴有许多白烟、温度高、能见度低且有许多腐蚀性气体发作，使消防人员翻开救活作业发作困难。而且由于电池内部组分提供了可燃物和氧化剂，干粉、泡沫等惯例救活剂根本不能够熄灭电池着火。许多的水尽管能够冷却电池体系起到必定的救活作用，但在电池壳体发作损坏的情况下，电池内生动的金属铝遇水焚烧，反而或许加大火势甚至引起爆破。在文献研讨中有提到可选用亚纳米级固相微粒和惰性气体混合物的气溶胶作为救活剂。但……这并不惯例。

所以咱们看到，特斯拉在地下车库内着火之后，只能等候车辆完全烧完，而没方法施以有用的救活方法，而且还需求关闭车库，避免人员榜首时刻进入构成中毒。
☆易燃不代表风险，汽油也易燃，失控才是
上边一再提起的一个词是热失控，这是锂电池发作自燃、风险的首要原因。热失控是指电池运用过程中发作的热量无法散出，温度反常升高反而导致电池内部反应愈加剧烈，放出更多的热，两相促进究竟导致焚烧或爆破。

比方这张图：某NCM电池负极（资料为钛酸锂）的温度与放热曲线。正常的锂电池在运用过程中BMS应该将电池温度操控在合理规划内。但假设电动车的热处理规划欠好，能够看到，跟着电池温度的上升，电池内部自行发作了多个放热峰值，80摄氏度左右SEI膜开端溶解，发作许多的热，随后温度持续上升135℃左右距离开端溶解，正负极短路，温度急剧上升到200℃左右，正负极资料与电解液开端反应，放热量极大电池爆燃。

在温度抵达必定的阈值之前，过高的温度尽管会导致电池的损坏，但并不是完全丧命的，假设电池安全机制规划杰出，还有时机捆绑温度，但到了某个阈值，构成了链式反应，那爆燃就不行避免了。（各个温度节点随锂电池资料工艺不同会有差异，比方三元锂电池的热失控温度在190℃左右，而磷酸铁锂的热失控温度在230℃左右）

因此，磷酸铁锂电池相对会比三元锂电池愈加安全，而另一边，尽管都是易燃易爆品，但汽油的潜在风险程度在经过了轿车百多年来的翻开，也现已降的比仍是新生事物的锂电池更低，这一点不行否认。
☆是什么导致了热失控
可是，失控并不是那么简略发作的。为什么会发作热失控？有电池的内因（自发的），也有外因。什么叫内因，那就是你正常运用，不磕不碰不犯错，电池内部自己难以想象短路自燃了。只需是能够经过国家规范查验的产品，这个概率是其实是很低的。

内因受资料和工艺影响。磷酸铁锂就比三元锂安全，由于它的热失控温度更高（三元190℃，磷酸铁锂230℃），出问题的概率也就低。但现在来看，比起资料构成的差异，工艺的影响更大，比方电池制造过程中隔膜外表吸附有导电的金属粉末、电池各部件规范不能准确匹配、电极片边沿不平坦、电解液分布不均匀、正极资料纯度不行等等都有或许构成电池内部短路，导致不行逆的温升起火。
外因和过失的运用有关，包含过充、外短路、高温、超压和外力冲击等。过充电会导致正极过度脱锂而负极过度嵌入，发作锂枝晶，对正负极构成不行逆的损坏并持续升温。
锂电池的压力也能够分为内压和外压，内压来自于电解液的热膨胀、锂枝晶构成、气体改动等；外压来自于环境压力、机械磕碰带来的揉捏、压力改动等，不管外压仍是内压，超越必定极限，电池内部强度较低的隔膜、粘结剂就会发作变形、导致锂电池内部短路作业反常，引发事端。
外力的冲击、振荡、跌落、揉捏、穿刺等行为也会导致电池隔膜分裂并致使短路，关于电池组，外力也或许导致操控芯片及器件的损坏，然后引发剧烈焚烧甚至爆破事端。相关于磷酸铁锂电池，三元锂电池在面临针刺和外部高温实验时温升更大，毒性气体开释量也更大，热失控温度低，潜在风险也更高。
但有什么方法呢？电动车想要跑得远，能量密度就得高，三元锂电池才能够符合要求，至于安全，就得看车企BMS、电池封装等的水平了。
☆不只需电池强，电堆/电控更要强
电池作为一个风险品是招认的事实，车企的作业就是将这种风险降到最低。怎样做？一防范，二避险。动力电池的运用安满是一个体系工程，在不能保证电池热失控完全不发作的情况下，要经过BMS、TMS、熔断维护、热障、结构集成等，在成组规划中设置多重的安全保证。

过充放是导致锂电池发作热失控的重要原因之一。因此，电池处理体系BMS就需求避免电池过充放。这并不简略，由于出产一起性问题，每颗电池单体的特性必定存在差异，或许有的电池现已充满了，而另一部分则还需求充电，此时，BMS就需求榜首，估测电池的荷电情况（SOC），保证电池的电量一直在合理的情况，第二，动态监测，实时监测电池组中电池单体的端电压、充放电电流等， 避免呈现过充和过放现象。第三，为每个电池单体均衡充电，保证电池组内部单体的一起性。还需求考虑锂电池在运用过程中老化情况的不一起性，预算电池的SOH（State of Health电池健康情况），7000多节电池单体，操控的难度可想而知。

这是过充放的防范，当锂电池由于其他原因（磕碰、变形、环境温度过高等等）发作潜在风险时，操控器应能够及时经过各种方法（强逼空气对流法、液冷法、相变资料法等）操控电池温度。当电池发作明火时，激活电堆内部的救活程序。而被逼的电池包装规划则需求安排下降险情的延伸速度，经过不同电池模组之间的距离以及外部短路的管控，下降电池发作爆燃的速度，让人有满足的时刻逃生。
对于锂离子电池，热失控是最严重的安全事故，它会引起锂离子电池起火甚至爆炸，直接威胁用户的安全。锂离子电池发生热失控主要是由于内部产热远高于散热速率，在锂离子电池的内部积攒了大量的热量，从而引起了连锁反应，导致电池起火和爆炸。
发热失控的因素很多，总的来说分为两类，内部因素和外部因素。内部因素主要是：电池生产缺陷导致内短路;电池使用不当，导致内部产生锂枝晶引发正负极短路。外部因素主要是：挤压和针刺等外部因素导致锂离子电池发生短路;电池外部短路造成电池内部热量累积过快;外部温度过高导致SEI膜和正极材料等发生分解。
锂电池热失控原因分析
(1)过热触发热失控
导致动力电池过热的原因来自于电池的选型和热设计的不合理，或者外短路导致电池的温度升高、电缆的接头松动等，应该从电池设计和电池管理两个方面来解决。 从电池材料设计角度，可以开发来防止热失控的材料，阻断热失控的反应；从电池管理角度，可以预测不同的温度范围，来定义不同的安全等级，从而进行分级报警。
(2)过充电触发热失控
“过充电触发的热失控”是指电池管理系统本身对过充电的电路安全功能缺失，导致电池的BMS已经失控却还在充电导致的。针对这类过充电的原因，解决办法首先是查找充电机的故障，这可以通过充电机的完全冗余来解决；其次是看电池管理合不合理，比如说没有监控每一节电池的电压。
随着电池的老化，各个电池之间的一致性会越来越差，这时过充就更容易发生。这需要进行整个电池组的均衡，来保持电池组一致性。比如采用“先并后串”这一最常见电池组组合方法的串联的电池组，在解决单体一致性问题后，最好的情况是拥有与最小容量的单体一样大的容量。有了这个一致性之后，容量回升了，同时也能防止过充。为了实现一致性，必须有一种方法对各个单体进行容量估计。可以根据充电曲线的相似性来进行全体电池组状态的估计。也即是说，只要知道了其中一个单体电池的充电曲线，其他的曲线应该跟它是相似的。经过曲线变化，它们可以近似重合，曲线变化的过程中间的这些差异就很容易计算。根据一个单体可以推算出其他的单体。有了这样的方法，就可以进行上文提到的一致性的均衡，当然这种算法的时间过长，需要进行简化。
(3)内短路触发热失控
电池制造杂质、金属颗粒、充放电膨胀的收缩、析锂等都有可能造成内短路。这种内短路是缓慢发生的，时间非常长，而且不知道它什么时候会出现热失控。若进行试验，无法重复验证。目前全世界专家还没有找到能够重复由杂质引起的内短路的过程，都在研究当中。
要解决内短路问题，首先要找到产品品质好的电池厂商，选择电池及电池单体容量；其次对内短路进行安全预测，在没有发生热失控之前，要找到有内短路的单体。这意味着必须要找到单体的特征参数，可以先从一致性着手。电池是不一致的，内阻也是不一致的，只要找到中间有变异的单体，就可以将其辨别出来。具体而言，正常的一个电池的等效电路和发生了微短路的等效电路，方程的形式实际上是一样的，只不过正常单体、微短路的单体的参数发生了变化。可以针对这些参数来进行研究，看其在内短路变化中的一些特征。
其中特征之一就是内短路单体的电势差，比较其内阻跟其他单体的差异。研发人员要利用模型来进行单体的辨识。在测出每个单体的电压、电流后，利用这些数据再结合模型，就可以把每个单体的内阻预估出来。再把单体的参数全部预估出来后，根据参数的变化，便可以判断其一致性是否发生了显著性变化。
(4)机械触发热失控
碰撞是典型的机械触发热失控的一种方式。如果在实验室进行碰撞的一个仿真，最接近的是针刺。通过对三元锂电池和磷酸铁锂电池进行针刺试验，研究热失控过程，发现磷酸铁锂电池在这个热失控过程中没有三元锂电池放热表现的那么剧烈。实验表明，不同的材料在针刺的时候会有不同的反应，磷酸铁锂相对安全。解决碰撞触发热失控的办法就是做好电池的安全保护设计。
一般而言，热失控发生之后，会往下传播。比如第一节热失控之后会有传热，开始传播，然后整组像放鞭炮似的一个一个接下来。针对这种传播，可以建立一个模型，包含中间温度升高率、化学能电能的产热、传热对流等。整个热电耦合的模型，可以用量热仪来做一个相关的定量分析。有了传播模型，研发人员可以设计如何来阻断和抑制，这需要加隔热层。但是，加隔热层并不简单，一方面加厚了体积大，另一方面隔热层跟冷却又是矛盾的。这些都是需要解决的问题。总之，在热失控扩展和抑制方面，研发人员要从安全保护设计和电池管理两个方面着手。、
电池热失控的预测
美国德克萨斯大学阿灵顿分校的Krishna Shah对锂离子电池热失控现象进行了分析，并建立了一套锂离子电池热失控的预测机制，对于锂离子电池的安全设计具有重要的参考意义。相关研究显示，锂离子电池热失控过程主要由一下反应组成：SEI膜分解，电解液和粘结剂发生反应，电解液和正极活性物质发生分解。
影响锂离子电池热失控的因素可以分为两个，一个是电池内部的产热速率，另外一个是锂离子电池的散热速率。传统的热分析工具，一般假设锂离子电池的产热在整个体积内是均匀的，因此这些工具分析认为热失控与电池的热导率无关，这与锂离子电池在实际中的情况是不同的，因此预测结果也是不准确的。研究显示，即使在26650电池内部也存在这很大的热梯度，因此传统的方法和工具无法来准确预测电池内部和外部的热状态。
