锂动力电池系统安全性问题的三个层次（1）：演变

动力电池安全性是新能源汽车大规模推广应用过程中，各方最关注的焦点问题之一。这里阐述锂离子动力电池作为车用电源系统的安全性问题及其有效的解决方案。动力电池系统安全性问题主要分为3 个层次，即“演变”、“触发”和“扩展”。“演变”是指动力电池安全性事故发生之前，故障可能经历了长期的演化过程;“触发”是“演变”过程的转折点，也可以是突发情况破坏了动力电池系统，并导致安全性事故。在动力电池安全性事故“触发”问题上，最为核心的问题是锂离子动力电池的热失控。热失控“触发”发生后，应防止热失控“扩展”的发生。以下我们首先从近年的一些锂电池安全故事切入，引出“演变”、‘“触发”和“扩展“的概念。之后 ，将就这3个层次一一展开说明。1、锂动力电池安全事故回顾表1为不完全统计得到的近年来发生的锂离子动力电池事故。图1列举了表1中部分事故所对应的图片。可以看出，锂离子动力电池事故主要表现为因热失控带来的起火燃烧。起火燃烧是令人担忧的安全性问题，但事实上，目前发生的事故所造成的危害有限，除电池组燃烧、损坏车辆本体、引燃周围车辆之外，发生人员伤亡的情况较为罕见。大部分事故中，人员能够及时得到危险警示并安全撤离事故现场。事故4(比亚迪出租车碰撞起火事故)中的人员伤亡主要是由于高速碰撞造成车内乘员昏厥而无法逃生，事故5(波音787电池起火事故)中的人员受伤是由于飞机紧急降落后的疏散过程中发生的摔伤。锂离子动力电池系统由多节电池组成，实际的车载工作条件复杂，其安全性问题表现为3个层次(图2)。1)电池系统安全性的“演变”。安全性事故发生前，有两种情况。一种是电池系统长期老化带来的可靠性降低，也称之为安全性“演化”，比如表1中的事故1、2、3、5、7;另一种是突发事件造成电池系统损坏并引发电池热失控与起火燃烧，也称之为安全性“突变”，比如表1中的事故4和6。安全性的“演化”与“突变”统称为“演变”。2)电池系统安全性事故的“触发”。电池系统长期老化与突发事件造成的电池系统损坏，可能会进一步“演变”为锂离子动力电池的热失控与起火燃烧。锂离子动力电池从正常工作到发生热失控与起火燃烧的转折点称为“触发”。3)电池系统安全性事故的“扩展”。单体电池或电池组内部分电池发生热失控“触发”之后，热失控与燃烧短时间内放出大量的热量。这些热量向周围电池与电池系统附件传递，会带来相应的次生危害，如周围电池依次发生热失控与燃烧，或火焰传播点燃车内线束与内饰等。这类热失控与起火向周围传播的现象称为事故的“扩展”。2、锂动力电池安全性“演变”安全性事故发生前有两种情况。一种是电池系统长期老化带来的可靠性降低，也称之为安全性“演化”，如表1中的事故1、2、3、5、7;另一种是突发事件造成电池系统损坏并引发电池热失控与起火燃烧，也称之为安全性“突变”，如表1中的事故4和6(Tesla高速撞击起火事故)。从时间尺度上看，安全性演化的耗时很长，而安全性突变的耗时很短。例如，事故1(普锐斯电池冒烟起火事故)属于安全性演化，因装配问题造成的接头松动之前，电池经受了长期的车载振动;事故5(波音787电池起火事故)中属于安全性演化，从设计缺陷到内短路触发之前，电池需要经历长期的内短路“生长孕育期”及长期的不合理使用;而事故6属于安全性突变，动力电池组受到瞬间撞击后机械变形，电池不仅受到挤压并且发生位置移动，从而造成短路与热失控。相比而言，安全性突变难以预测，但是可以通过既有事故的形式来改进电池系统的设计;而安全性演化耗时长，伴随有电池系统的老化，可以通过检测电池系统的老化程度来评估电池系统安全性的变化。电池系统任何部件的老化都可能带来安全事故的触发。事故1(普锐斯电池冒烟起火事故)中，错误的装配顺序使得电池连接线接头在长期车载振动条件下发生松动，继而导致接头处电阻增大。而混合动力电动车行驶过程中，电池充放电的电流在松动的接头处产生大量的热量，加热了部分电池，最终导致电池热失控事故的发生。事故7中，电池管理系统的失效，造成电池组长期持续过充电，最终导致热失控事故的发生。除了电池系统其他部件的老化之外，电池本身的安全性演化主要表现为内短路的发展。内短路被认为是系列事故5的主要原因。内短路在最终发生之前，会经历相当长的“生长孕育期”。锂离子动力电池发生内短路的原因很多，其中电池内部的金属枝晶生长是造成内短路的主要原因之一。金属枝晶生长可以来自电池正极中的过渡金属(铜、铁等)的溶解与再生长，也可以来自锂金属的析出与生长。电池设计与生产过程中的缺陷会有利于金属枝晶的生长，比如电池在制造过程中混入的杂质，或者电池极片由于装配应力作用发生的褶皱，金属枝晶在杂质和褶皱附近更容易生长。锂金属的析出与生长还与充电倍率，充电温度相关。大倍率充电或低温充电都可能增加锂金属析出的可能。如图3所示，金属枝晶的长期生长可能会挤入隔膜的孔隙，并最终刺穿隔膜，造成内短路甚至热失控事故。需要注意的是，锂枝晶生长刺穿隔膜导致热失控之前，老化电池的安全性相对新鲜电池而言已经发生了变化：一方面，由于能量密度的降低，电池热失控造成的危害可能会降低;但另一方面，由于内部金属枝晶的存在，老化后的电池可能更容易发生热失控。锂电池产业链企业推广，锂电网（li-b.cn）欢迎投稿。