鉅大LARGE | 點擊量：1618次 | 2019年07月25日
鋰離子電池頻繁起火的真相
近日，由國家市場監管總局質量發展局和中國汽車工程學會共同主辦的“新能源汽車安全與召回”主題峰會在博鰲召開。會議期間，就鋰離子電池安全問題，清華大學教授邱新平發表了自己的一些看法、并提出了電池安全問題防范建議。
鋰離子電池于1990年研發成功，由于能量密度高，最初在攝像機上應用，后逐步擴大到筆記本電腦、手機、電動汽車及儲能系統中。在這個過程中，多起不同程度的安全性事故接連發生。
鋰離子電池安全問題為何頻發
據不完全統計，2018年我國發生電動汽車起火事件40余起，包括多個品牌的乘用車和動力電池。2019年以來，尤其是進入四五月份，特斯拉、蔚來等車企發生多起起火事件，導致新能源汽車及動力電池安全備受質疑。
鋰離子電池安全問題為何頻發？
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
邱新平告訴《產品安全與召回》，這是由鋰離子電池本身的特征來決定的。與其他體系的電池相比，比如鉛酸電池、鎳鋁電池等，鋰離子電池創新地采用了一些新的反應方式。主要表現在以下兩個方面：
首先，鋰離子電池正極和負極采用了嵌入反應方式，與普通的化學反應如鉛酸電池中鉛變硫酸鉛的反應不一樣，嵌入反應過程中材料表面也就是界面的結構比較穩定，因此保證了鋰離子電池的長壽命系統。
其次，鋰離子電池具有高能量密度的特性，高能量密度主要得益于兩方面：一是高容量電極材料的使用；二是寬的電化學窗口電解質的使用（這里所指的主要是非水溶液體系電解質或者固體電解質），使得電池的電壓大幅度提高。
“現在的鋰離子電池平均電壓可以到3.7V以上，最高電壓可以達到4.4V以上。這樣的設計，與普通的水溶液電解質相比，鋰離子電池中沒有鉗制反應。”邱新平指出，比如說，如果鉛酸電池過充電，過充電以后多余的電可以把水分解，分解完之后，再用氫氧復合基質把多余的電能變成熱能釋放出來，“鋰離子電池并沒有這個機制，所以一旦過充電，就會帶來很多安全問題。”
熱失控是電池正極跟電解質的燃燒反應
邱新平指出，鋰離子電池的特性決定了發展電動汽車要格外關注鋰離子電池的安全性問題。業內在剖析電動汽車起火原因時，熱失控被頻繁提及。
究竟什么是熱失控？
據邱新平解釋，當電池的溫度達到某一溫度時，電池內部會發生劇烈的反應，產生大量的熱，這種情況已經無法人為管控，就跟原子彈一樣，到了某個極限就馬上爆炸，業內把這種反應稱為熱失控反應。
從原理上看，鋰離子電池熱失控的過程，主要是正極跟電解質的燃燒反應。“我們實驗室拿鈷酸鋰做了一個簡單的熱力學計算發現，隨著鈷酸鋰材料中的鋰被不斷地提取出來，也就是電池合成SOC的增加，鈷酸鋰分解的溫度會不斷地下降，自身就會發生析氧。而這種氧不會形成氧氣，而是活潑的氧，這種活潑的氧會與電解質中的有機溶劑反應，從而產生大量的熱，并且這個反應速度非常快，導致熱失控。”邱新平進一步補充道。
引發熱失控的原因有兩類
電池產熱是電池工作過程中的必然產物，如果電池的熱釋放即熱擴散速度比產熱速度要快，電池溫度就不會上升，不會達到熱失控溫度。但往往有些時候，電池的散熱性并不是很好。
邱新平將引起熱失控的原因分為兩類。
第一類是電池外部因素。如果電池所處的環境溫度過高，電池散熱不好，或者內部卷得不好，導致電池散熱不通暢。此外，還有一種情況需要企業特別注意，就是電池脊柱有時候能把熱引進去，電池的金屬脊柱有銅的，有鋁的，導熱性都比較好，“電路中有某些高熱源的元器件，一定要離電池脊柱遠一些，讓熱量充分發揮。”邱新平補充。
第二類是電池內部因素。一是微短路，微短路有兩種情況，一種是電池工藝中的短路，包括毛刺；另一種是使用過程中的短路，這些都會引起微短路，導致電池局部溫度高于熱失控溫度，從而產生熱失控現象。
二是電池過充電，過充以后會降低材料的熱失控溫度。“像電池在使用中后期的容量已經衰減了，這時候電池本身就已經處于過充狀態，熱失控溫度自然會下降。”邱新平指出。
三是電解質用量，如果用量過多，爆炸的危害性會很大，火焰噴得很高很遠，所以要嚴格控制電解質用量。
預防熱失控要控制電池溫度
截至目前，電動汽車起火事故仍是少數，為何有的電動汽車安全運行，有的卻危及駕乘人員安全？
邱新平告訴《產品安全與召回》，觸發熱失控的溫度與電極材料的種類、電解質的種類、電池的荷電狀態等等都有很大關系。
“比如，我們做三元材料熱失控反應試驗發現，當荷電狀態60%的時候不會發生熱失控反應；當荷電狀態達到80%以上，包括100%時，這種熱失控反應會很快發生，在溫度比較低比如190度的情況下就可以發生；如果發生過充，荷電狀態達到120%時，熱失控會更容易發生。”
預防熱失控的核心在于把電池的溫度控制在觸發溫度以下。“這里所指的溫度，不止是電池的整體，包括局部地方，甚至某一個小點，所有地方都不能產生溫度過高的問題。比如短路導致某個非常小的地方溫度局部過高，也會引起熱失控反應。”邱新平強調。
電池的一致性決定電池組的安全性
截至2019年6月，我國新能源汽車保有量達344萬輛。盡管起火數量仍是少數，引發的安全危機卻對產業健康可持續發展產生巨大影響。
邱新平認為，在電池使用過程中，電池的一致性決定了電池組的安全性。
鋰離子電池由于沒有前置性反應，在組合過程中，選電池必須要一致性。舉例而言，電池組合串聯以后，一個電流通過三個電池，必須保證每個電池都一樣，通過的電流大小或容量都一樣。“如果一個電池已經充滿了，再充就是過充；或者放電時，如果一個電池已經到了放電下限，再放電電池就過放了。這樣就會引起電池性能的偏差，容易引發熱失控。”邱新平表示，電池一致性偏差越大，未來電池組的安全性就會越差。
應加強對電池生命中后期的數據積累
目前業內包括車企對新的鋰離子電池，即剛出廠的電池的安全性認識得很清楚，積累做了大量的數據，也通過了各種各樣的標準測試。
邱新平告訴《產品安全與召回》：“目前我們面臨這樣一個問題，包括最近國內出現的這些燒車事故，都跟電池到了生命的中后期有關，問題在于，我們現在對電池生命中后期反應并沒有太多的數據積累。”
“我們實驗室花了三年時間做電池循環測試，三年時間里在同樣一個溫度下循環，我們發現循環了3000次以后，電池的內阻變化很大，一百個電池之間可能相差很多，容量也變化很大。”
如果這種變化出現在成組的電池上，熱失控在所難免。“所以到目前為止，我個人的觀點就是，需要加強對電池生命中后期的數據積累。安全本身不是一個從技術上或者從原理上不能克服的事情，安全是一個工程技術問題，只要有大量的基礎數據積累，我們的工程技術人員就可以很好地開展工作。”邱新平強調。
電池安全防范七點建議
鋰離子電池安全如何防范？邱新平提出以下建議：
首先，開發出好的正極材料，提高其熱失控溫度，每提高10度，就能大大減少熱失控發生的幾率。
第二，設計合理的結構，電池的散熱要好。
第三，保證電池一致性，加大使用過程中環境的控制等。
第四，開發出更加穩定的電極材料，電解質材料，這是真正解決鋰離子電池安全的根本。目前，這方面無論是國際還是國內都有一些很好的技術方案在運行。
第五，要加強電池散熱以及熱管理范圍的研究。有些企業可能怕熱傳遞而做隔熱，隔熱過程中還有一個散熱問題。
第六，減少生產過程的電池內部缺陷，以減少電池發生安全事故的幾率。
“最后，要加強電子壽命中后期的電池管理和特性認識，解決電池在使用過程中產生的離散性大問題。如果這個問題解決了，會提高整組的總體安全性。”邱新平說道。
