新能源汽车动力电池热失控机理和安全风险管控方法的研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.11.007

摘要/Abstract

摘要：

针对新能源汽车动力电池的热失控与安全风险问题，本文从热失控的诱发与反应机理出发，通过分析现有动力电池安全管控方法，归纳了动力电池安全问题的研究现状与最新进展，分析了当前动力电池安全管控研究中存在的主要问题，指出了新能源汽车安全风险管控技术发展趋势，旨在推动动力电池安全风险预警和管控技术提升，保障驾乘人员生命财产安全，消除消费者安全焦虑，促进新能源汽车产业发展。

关键词: 新能源汽车, 动力电池, 热失控, 安全管控

Abstract:

Aiming at the thermal runaway and safety risk of the power batteries for new energy vehicles， the research status quo and latest progress of power battery safety issues are summarized in this paper by analyzing the existing power battery safety control methods， proceeding from the induction and reaction mechanism of thermal runaway. The main problems existed in current power battery safety control research are analyzed， and the development trend of the safety risk control technology of new-energy vehicles is pointed out， so as to promote the enhancement of the warning and control technology of power battery safety risk， to ensure the life and property safety of drivers and passengers， and to eliminate the safety anxiety of consumers， promoting the development of new-energy vehicle industry.

Key words: new-energy vehicle, power battery, thermal runaway, safety control

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图/表 13

图1

表1

锂离子动力电池热失控诱发条件对比"

诱发条件	诱发原因	研究内容与参考文献	内部机理	外部表现
机械滥用	挤压、弯曲	通过建立力学模型模拟了在动力电池受到挤压、弯曲后在危险SOC值和高冲击速度下的动力学行为及机械应力状态^［26］	集流体、隔膜被破坏以及发生内短路	动力电池发生变形、漏液、产生气体、外壳破裂以及气体被点燃、电池热失控起火
	压痕	对不同容量与SOC的电池进行压痕试验研究了电池在内短路时的外部特征和内部结构^［2］
	针刺	在电池模组级别进行了钝挫伤和钉刺试验，研究了不同SOC下动力电池的热失控时产生的气体对热失控的危害^［27］
电滥用	过充电	过充电下的电滥用能够引起电池内部物质的分解反应，导致电池产生焦耳热，引发电池热失控，且在热失控温度急剧上升前会出现电压的急剧下降^［17］	电极析锂，石墨负极结构破坏	电池发生产气、膨胀、变形、容量衰退以及热失控起火甚至爆炸
	过放电	过放电会导致电池出现不可逆的容量损失，其主要原因是铜集电极的溶解和阳极表面沉积铜，促使SEI膜增加^［18］	铜集流体溶解	电池发生产气、膨胀、容量衰退
	外短路	电池系统在外部环境的作用下会形成外短路，过大的电流会使电池产生大量热，甚至极耳熔断，进而导致严重的热失控^［12］	SEI膜分解、隔膜破坏	电池极耳熔断以及热失控起火
热滥用	外部加热烘烤、高温下运行	通过试验研究了热滥用所引起的高温破坏电池固体电解质膜和电池隔膜，并导致一系列放热副反应的发生，引发热失控^［19］	SEI膜分解、隔膜融化、内短路	电池发生变形、产气、火焰射流、容量衰退
热滥用	外部加热烘烤、高温下运行	建立三元锂电池的热滥用模型，模拟了炉箱加热试验，发现温度越高，发生热失控的时间越早，且副反应对锂离子电池的热失控有直接影响^［20］	SEI膜分解、隔膜融化、内短路	电池发生变形、产气、火焰射流、容量衰退
电池老化	循环老化	在过度充电循环下，老化后的电池热稳定性变差，发热反应开始的温度比新电池更低^［28］	电池正极的结构损坏、产生金属沉积物、刺穿隔膜、SEI 膜生成和破裂	电池容量衰退、热稳定性下降、电池短路
		在常温或高温条件下，会产生金属Li沉积物并伴随SEI膜不断生成和破裂，极大影响了电池热稳定性，导致电池的热稳定性下降^［29-30］
		在低温循环的过程中，产生Li镀层会导致电池容量急剧衰减，电池的热稳定性发生明显降低^［30-34］
		随着电池循环次数的增多，副反应所形成的尖锐物质会刺穿隔膜引发内短路。且发现了内短路发生过程中的熔断现象^［27］
	储存老化	电池内阻增加，电池内部副反应会产生更多的热量，导致电池更易遭受电滥用^［35］	内阻增加	电池容量衰退、产生热量增加
	储存老化	在较高的温度下（例如70 ℃），储存会导致电池容量随时间线性下降，并在较高的存储温度下显示出更快的容量下降^［36］	内阻增加	电池容量衰退、产生热量增加
电池缺陷	电池中混入杂质	在生产过程中由于制造工艺的限制，电池内部会混入杂质，从而使这种现象存在于电池的整个使用过程中^［13］	电极析出金属刺穿隔膜	电池短路、容量衰退

表1

图2

表2

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层级	类型	主要方法	文献
安全的电池材料	隔膜	使用抗冲击性和稳定性高的多层隔膜、通过陶瓷涂层包覆、具有闭孔效应阻断锂离子交换反应、促进锂离子均匀沉积避免枝晶刺穿隔膜	［37-40］
	正极材料	掺杂其他金属、使用热稳定性高的材料	［41-42］
	SEI膜	使用高稳定性的锂合金材料、提高SEI膜的稳定性	［43-44］
	电解液	在电解液中添加阻燃剂，使用不易燃的电解液、水系电解液、固体电解液	［45-48］
电池单体安全性设计	电池壳体设计	通过在电池壳体设计安全阀、热熔丝阻断电流、设计正温度系数电极阻断反应	［49-51］
电池系统安全性优化	新结构电池	“刀片电池”“弹匣电池”“大禹电池”	［52-57］
	电池包结构优化和强化设计	加强电池包的抗冲击性能、将电池包分成多个电池模组，加强结构稳定性、在电池包中增加冷却管	［58-61］
	电池热管理系统设计优化	空气冷却、液体冷却、相变材料冷却、热管冷却以及复合冷却等方式	［62-71］

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