动力电池安全热失控问题解析

来源：宝鄂实业 2019-10-24 22:38 点击量：次

动力电池安全是新能源汽车发展中的一个热点问题。大致分为安全测试和滥用测试。压碎试验和钉刺试验是滥用试验。这两个测试对电池的破坏性都很大。挤压是将外部机械力直接施加在电池上，迫使电池变形，导致电池内部零件的机械变形，导致外部结构损伤(如隔膜破裂、击穿)，内部短路，触发可能的热失控。针刺是指外部金属异物直接穿透电池，穿透电池内部元件，也会导致内部短路，引发可能的热失控。下面是这两个测试的一些例子。

首先看一下LFP/C电池测试。LFP材料的热稳定性较高，有助于抑制或延缓热空时的发生。这里有一个案例研究ELIIY Power的50Ah(106Wh/kg)电池，由TUV进行针灸测试。击穿位置在电池表面的中心。从插针的整个过程来看，电池内部没有异常现象，安全性较高(图2a-2c)。

针刺试验方面，EC Power采用模拟技术研究了钢针厚度对NCM电池(5Ah, 120Wh/kg)针刺试验结果的影响。有一组数据可供参考:20mm的钢针，温度达到150℃需要150秒;10毫米钢针一样,它需要75秒针刺位置的温度达到150°c。5毫米钢针,它只需要2秒针刺位置的温度达到150°c(图3)。这表明,当地气温上升在针灸的位置与薄钢板针相对更快,更可能导致电池热失控。

从挤出头到电池厚度的一半左右，未见异常现象(图4a, 4b)。当挤压继续时，电池内部的电解质会喷射出来(图4c)。当挤压继续时，少量白色烟雾开始出现(图4d)。当挤压到图4e所示位置时，可以观察到电池外壳开始破裂。图4 f显示电池壳被挤压,分成两半,它可以观察到,塑料包装薄膜表面的半电池右边开始萎缩是由于热量,表明电池内的温度迅速上升。但在整个挤压过程中，电池没有着火或爆炸，表现出更好的安全特性。

从挤压头挤压电池,电池发行少量的白烟从顶部(图5 b),然后开始吐出大量的白烟(图5 c),然后在6秒内注入大量的火星和火焰,电池起火爆炸,完全在几秒钟,一个气体火灾爆炸、烟雾,溅出渣是分散在整个测试的房间。

我们看一下锂离子电池在热失控后从电池内部都释放出哪些气体。当然，由于每种电池的组成、结果、化学状态都存在差异，释放出来的气体各有差异。通常，这些气体都是可燃的，当热失控造成电池内部温度快速上升到一定程度，就有可能触发燃烧。这里以一个40Ah NCM/C软包电池为例说明，它的电解液为LiPF6/EMC/DEC/EC。在充满电的情况下，通过针刺出发热失控，从而采集分析释放的气体成分。分析结果显示，释放出来的气体成分主要包括：

· EMC：碳酸甲酯乙基酯

· DEC：碳酸二乙酯

· EC：碳酸乙烯酯

· Benzene：苯

· Toluene：甲苯

· Styrene：苯乙烯

· Biphenyl：联苯

· Acrolein：丙烯醛

· CO：一氧化碳

· COS：硫化碳酰

· Hydrogen fluoride：这是氟化氢

上述这些物质中，有些是气体，有些是挥发的液体。前三种物质是电解液本身挥发出来的，后面几种物质都是在热失控过程中形成的新物质。上面所有物质都已具有一定毒性的，在一定温度下都是可燃的。