安全防控技术在动力锂电池产业中的应用

新能源汽车产业被列入“十三五”国家战略性新兴产业发展规划,也是国家政策和资金重点扶持的产业。我国的新能源汽车起步相对发达国家略晚,相关的配套设施安全性能还不够理想,动力锂电池的安全和使用寿命就是制约新能源汽车发展的关键问题之一。

1 电动汽车起火的主要原因

根据公布的数据分析,电动汽车在充电状态下导致的起火占事故总数的50%以上,由于碰撞原因导致的新能源汽车起火和行驶过程中发生的自燃起火各占事故的20%左右。从车辆状态来看,动力电池在静止和使用过程中都有发生起火的可能。一些南方城市夏季高温、台风暴雨等恶劣天气频繁,这也会引发动力电池起火事故。

2 动力锂电池起火原因分析

电池过热而造成的热失控是锂离子电池起火的主要原因,常发生在电池充电与放电的过程中。由于锂离子本身具有一定的内阻,在电能输出保证电动车能量供给的同时自身也会产生一定的热量，这种持续的热量会使得锂离子电池本身的温度变高。锂离子电池是由多个单体电芯构成的整体,当电池温度处在持续升温的状态下,能量供给过程中产生的大量热能就聚集在狭小的电池箱体中,在超出其正常的工作温度和承受极限时，便会严重损害锂离子电池的使用寿命,甚至导致锂离子电池热失控起火或爆炸。

2.1 碰撞原因导致的热失控

电动汽车发生交通事故时会产生不同程度的碰撞,而强烈的外力因素也会同时作用到锂离子电池,使得锂离子电池箱体变形、破损,电池本身的配件被移位或损坏,电池的隔膜被撕裂导致电池内部短路,易燃的电解质泄漏出来。在所有的碰撞伤害对电池性能产生的破坏中,最为严重的当属穿刺伤害,严重的穿刺伤害会直接插入电池本体,造成电池的正负极直接短路并加剧热量集中生成爆发,引起发热失控,严重破坏电池的正常性。

2.2 使用不当导致的热失控

使用不当也是引起锂离子电池热失控的主要原因,具体体现在充电过度、放电过度、外部短路等几大原因。相较于外部短路和充电过度,放电过度对锂离子电池的危害相对较小，放电过程中的铜枝晶增长会降低电池的安全性,间接增加热失控的几率。外部短路时，电池的热量不能有效散去,电池温度升高并引发热失控。充电过度是对锂离子电池危害最大也是引起电池热失控最主要的原因,充电过度会造成过量的锂嵌入,锂枝晶在阳极表面生长,锂的过度脱嵌导致阴极结构因发热和氧释放而崩溃,氧气的释放会加速电解质的分解,从而产生大量气体,随着内部压力的增加让排气阀打开,电池开始排气。此时,电芯中的活性物质与空气接触并发生剧烈反应,放出大量的热,从而导致电池燃烧起火。

2.3 外部环境温度过高导致的热失控

外部环境温度过高也是导致锂离子电池发生热失控事故的原因之一。当外部环境过高时，锂离子自身的散热加剧并无法有效分散,内外的热压力聚集导致锂离子温度控制系统被破坏,无法起到应有的保护效果,从而造成短路引发热失控。外部环境温度过高的原因是多方面的,如电动汽车空调系统失灵、热管理系统失效、外部碰撞导致锂离子电池内部结构被挤压和损坏等，这些因素都可能导致外部环境温度过热，进而发生电池热失控。

3 动力锂电池安全防控技术的应用

提高动力锂电池的安全性能需要从内外两方面着手,具体来说就是材料的优化与技术的提升,从而更好地保证锂电池的安全性与稳定性,有效延长锂电池的使用寿命。

3.1 提升热管理系统性能

热管理系统在整个锂电池的构造中主要起到控制温度的作用,即确保锂电池始终处于合理的温度范围内运行。这其中最重要的手段就是利用空调系统对电池进行温度控制,温度过高时及时降温,温度过低时及时加热,以保证电池的安全及寿命。现阶段锂电池的散热方式主要有利用空气冷却的风冷模式、利用液体冷却的水冷模式、相变材料冷却、结合冷却等,通过技术研发提升热管理性能是保证电池安全性的重要举措之一。

3.2 对内部材料及结构进行改良

电池电芯内部材料主要是正负极材料、隔膜、电解液等,选用耐热性能更佳、散热性能更强的材料是保证电池安全的关键。如选用电导率更高的固态电解液、可逆容量更好的负极材料、安全性更高的隔膜材料都是提升电池热性能的有效方法。对正负极进行结构改造,升级电池系统技术,双管齐下更能保证电池的性能安全。

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