锂动力电池系统安全性问题的三个层次（2）：触发

在上文《锂动力电池系统安全性问题的三个层次(1)：演变》中，我们对锂动力电池近些年的安全事故进行了回顾与分析，并引入了安全问题“演变”的概念，这里我们继续与大家分析安全事故”触发“的机理。3、锂动力电池安全事故触发经过演变过程，电池事故将会进入“触发”阶段。一般在进入触发阶段之后，锂离子动力电池内部的能量将会在瞬间集中释放，此过程不可逆且不可控，也称之为热失控(thermalrunaway)。热失控后的电池发生剧烈升温，温度可高达1000℃，并可以观察到冒烟、起火与爆炸等现象。当然，从“安全性”的广义定义来看，电池安全事故中，也可能不发生热失控。如电池发生碰撞事故后并不一定发生热失控;而电池组绝缘失效造成人员高电压触电，电池漏液产生异味造成车载人员身体不适等情况下，电池也不会发生热失控。在动力电池系统的安全设计当中，以上情况都需要考虑。而热失控则是安全性事故最常见的事故原因，也是锂离子动力电池安全性事故特有的特点，故这里以热失控为核心进行了专门介绍。大量实验研究表明，热失控后的电池不一定会同时发生冒烟、起火与爆炸，也可能都不发生，这取决于电池材料发生热失控的机理。图4、图5与表2展示了某款具有三元正极/PE基质的陶瓷隔膜/石墨负极的25 A·h锂离子动力电池的热失控机理。图4为该款锂离子动力电池绝热热失控实验中的温度与电压曲线，根据其热失控温度变化的特征，将热失控过程分为了7个阶段。在不同阶段，电池材料发生了不同的变化，图5通过一系列的图片解释了各个阶段电池材料的变化情况。表2列出了该款锂离子动力电池热失控的7个分阶段的特征及相应的机理。结合图5与表2，可以解释热失控后电池冒烟、起火与爆炸的情况。对于冒烟的情况，在阶段V，如果电池内部温度低于正极集流体铝箔的熔化温度660℃，电池正极涂层就不会随着反应产生的气体喷出，此时观察到的会是白烟;而如果电池内部温度高于660℃，正极集流体铝箔熔化，电池正极涂层随着反应产生的气体大量喷出，此时观察到的会是黑烟。对于起火的情况，热失控事故中的起火一般是由于电解液及其分解产物被点燃造成的。所以，从阶段II 开始，从安全阀泄漏出来的电解液就有可能被点燃而起火。从燃烧反应的3要素(可燃物、氧气、引燃物)来看，可燃物主要是电解液;氧气在电池内部存在不足，因此电解液需要泄漏出来才会发生起火;引燃的主要原因是喷出的气体温度高于其闪点。对于爆炸的情况，爆炸一般表现为高压气体瞬间扩散造成的冲击。电池内部具有高压气体积聚的条件，而安全阀则是及时释放高压积聚气体的关键。安全阀体如能在电池壳体破裂之前开启，并释放足够多在热失控过程中产生的高压气体，电池就不会发生爆炸;安全阀体如不能及时开启，就可能会发生爆炸事故。事故触发的分类造成锂离子动力电池热失控事故的触发原因很多，根据触发的特征，可以分为机械触发、电触发和热触发3类。如图6所示，3类触发形式具有一定的内在联系。一般地，机械触发会引发短路并造成电触发，而电触发产热造成了热触发，热触发造成的热失控是事故触发的核心。其他触发形式的机理分析都离不开对于热触发机理的研究。机械触发包括挤压、针刺、跌落等，主要特征是电池受力发生形变;电触发包括外短路、内短路、过充电、过放电等，主要特征是触发过程中存在电流流动;热触发包括异常加热、火焰加热等，主要特征是电池持续吸收环境中的热量而温度升高。安全性测试标准中规定了根据事故分析所获得的详尽的各类事故触发因素。通过了安全性测试标准的电池发生触发事故的概率也大大降低。但是，由于实际工况非常复杂，事故触发的原因可能与安全性测试标准中的规定的情况有所出入。这解释了为什么表1中所列的各类动力电池系统均通过了安全性测试标准，事故仍然可能发生。锂电池产业链企业推广，锂电网（li-b.cn）欢迎投稿。