新能源汽车频繁着火，真的是电池缘故吗？

一段时间以来，新能源汽车起火事故时而被媒体报道，而起火的原因，大部分指向了电池，这让动力电池的安全性再次成为行业关注的焦点。动力电池的主要品类是锂离子动力电池，它的安全性贯穿于从电芯选材到使用终结的全生命周期，依次可分为汽车利用、梯次利用和再生利用三个生命阶段，本文通过深入分析汽车利用环节的安全问题，探究安全问题产生的原因以及提高安全性的方法，希望能为行业的发展提供一些思考和帮助。

 

通常锂电池在3C产品应用较成熟，近年在新能源汽车和储能领域存在爆发式的增长需求，目前我国储能电池市场规模还没完全释放，而新能源汽车动力电池市场已成为各国争相竞技的赛场。从图2看出，美国制定的长期目标为开发能量密度＞200Wh/kg的PHEV-100+和EV用二次电池，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）计划至2020年达到250Wh/kg，2030年达到500-700Wh/kg，中国规划至2020年，新型锂离子动力电池单体比能量超过300Wh/kg，系统比能量力争达到260Wh/kg，至2025年，单体比能量达500Wh/kg。

 

诚如新能源汽车动力电池火爆的背后，不仅带来了低端产能过剩，高端产能不足的结构性产能问题，同时还伴生了一些安全隐患，如下图3的几例典型电动车起火和爆炸事故。据统计，2016年底新能源汽车保有量40万辆，2016年国内新能源汽车发生火灾共计29起，按这样的事故比例计算，至2020年新能源汽车规划保有量要达到500万辆，火灾事故相当于250次左右。

 

 

 

锂离子动力电池安全问题的原因分析

从工作原理角度看，动力电池与消费类电池基本一样，但动力电池的带电量远大于消费类电池，在过充、过热、内短路、外短路、机械触发等因素下容易诱发热失控，当动力电池发生热失控时可使电池温度迅速升高到400-1000℃，进而发生着火、爆炸等事故。如图4所示，动力电池热失控的演变分为诱因、发生和扩展三个阶段，随着温度不断升高，电池内部发生显著变化，不同温度阶段伴随着各种副反应的发生，当副反应的产热速率大于电池的散热速率时，电池内压及温度急剧上升，导致电池发生燃烧和/或爆炸。

 

 

 

锂离子动力电池的结构首先决定了其安全性能的好坏，如图5所示，锂电材料由正极材料、负极材料、电解液及隔膜等组成，充放电过程实际上是一种电化学反应过程，SEI膜是在电池首次充放电过程中电极材料与电解液反应沉积在电极表面的一层钝化膜，当温度过高（T＞130℃）导致SEI膜分解，使电解液与裸露的高活性碳负极发生还原反应，产生大量的分解热量使电池温度升高，这是导致热失控的反应动力学原因，也是发生事故的根本原因，因此，改善SEI膜的热稳定性可以提高电芯的安全性。

 

 

 

从锂电材料组成来看，正极材料占比最高，它决定了电池的比容量和比能量，对比磷酸铁锂（LiFePO4）与三元材料NMC(LiNixMnyCo1-x-yO2)发现，要提高安全性必定牺牲能量密度，影响安全性的重要因素是电极材料的本征电极电势和晶体结构；负极材料对安全性的影响主要来自于锂枝晶的生长导致的与电解液的反应，锂枝晶不断生长的原因是锂离子通过SEI膜的速度小于锂离子在负极上的沉积速度；电解液通常为有机碳酸酯类化合物，充电时不稳定的正极材料发生副反应释放氧气与电解液反应，放出大量热和易燃气体；隔膜材料一旦破裂将造成正负极接触发生短路，导致热失控。如表6所示，在过充和高温下，正极活性材料与电解液中的溶剂发生反应释放氧气并产生大量热；温度升高使得在嵌锂状态下的碳负极材料由有序变无序，极易与电解液或粘接剂（如PVDF）发生放热反应；电解液溶剂（如PC/EC/EMC/DMC等）均为有机易燃物，高温或一定电压下发生氧化和分解反应；隔膜材料PE熔点135℃，PP熔点165℃，温度超过熔点，隔膜融化，发生内短路。

 

 

 

目前锂离子动力电池在乘用车和商用车应用较多的分别是三元电池、磷酸铁锂电池，三元电池向高安全和高能量密度方向发展，这实际上是矛盾的，三元NCM或NCA均往高镍方向发展，能量密度随之提高，但电池安全性也随之降低。从图7看出，高含量Ni4+容易氧化电解液，释放气体，破坏材料晶体结构，导致热稳定性下降，影响电芯安全性。