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聚焦电池安全 如何应对无法根除的锂电热失控?

对于电动汽车来说,2018年有些喜忧参半。一方面车市寒冬降临,新能源汽车交出125.6万辆的成绩单,可谓跑赢市场,独领风骚;另一方面,整个2018年,纯电动汽车召回事件共有8起,涉及130344辆电动车,同时起火事故超过50起,使得正在逐渐驶出里程焦虑阴影的电动汽车,又陷入“安全焦虑”的泥沼。

在1月11~13日举办的中国电动汽车百人会论坛(2019)的动力电池技术峰会上,各位专家学者没有如往年般分享各色各样的锂电前瞻技术,而是不约而同的将焦点放在了电池安全上。

无法根治的锂电安全性能?

锂电池的安全性归根到底一句话,就是来自于电池的热失控。锂电池除了正常的充放电反应外,还存在潜在的副反应。当电池温度过高或者充电电压过高的时候,这些副反应就会被引发,并释放大量热量。如果热量得不到及时疏散,还会引起电池温度和压力的急剧上升,形成恶性循环,最后导致热失控,造成安全事故。

不幸的是,从锂电反应机理而言,单体电池的热失控隐患是无法根除的,只能通过诸如热控制技术(PTC 电极)、正负极表面陶瓷涂层、过充保护添加剂、电压敏感隔膜以及阻燃性电解液等等技术的综合性应用来无限改善单体电芯的安全性能,但无法真正根除。

聚焦电池安全 如何应对无法根除的锂电热失控?

武汉大学教授 艾新平

关于电芯层面的锂电安全性,武汉大学教授艾新平做了非常全面的分析,从热失控过程来看,发生热失控最早的一个反应是负极表面SEI膜的分解,由于负极成份及添加剂的不同,SEI膜的分解分度大概在120-140℃,发生分解以后,负极裸露在电解液中,并发生剧烈的还原分解,放出大量的可燃性气体和热量,促使电池的温度进一步上升,直至正极发生分解。

正极发生分解时,温度大概在180-200℃,此时电芯的副反应就很难控制了,因为正极分解时不仅仅释放大量的热量,还会产生活性极高的氧原子,导致电解液直接氧化分解,短时间内会造成电池内部大量的热量积累。

值得一提的是,温度和副反应的关系是相辅相成的正相关,即温度越高,副反应越剧烈;副反应越剧烈,温度也就越高。这样的恶性循环最后会导致电池进入一个没法控制的自加温状态,也就是所谓的“热失控”。

业内常说的磷酸铁锂安全性好,就是因为它作为正极在200-400℃的时候基本不发生分解,但正极的产热只是副反应的一部分,负极和电解液的氧化分解仍然存在,所以磷酸铁锂的安全性只是相对三元而言稍微安全一些而已。三元材料根据组成成份的不同,分解温度有所变化,镍占比越高,热分解温度越低,比如当镍含量达到0.8,在120度左右就开始发生热分解,甚至早于负极的SEI膜,这对电池的温控造成了极大的挑战。

电池热失控,究其原因还是内部出现了短路和过充的现象。比如涂层,电解液分布不均、电极间距不均会引起电流分布不均从而导致局部过充;在循环过程中正极性能衰竭过快,也会导致过充;另外BMS死机或者功能障碍、充电继电器不能正常工作,这些都会导致过充。内部短路同样复杂,电解液分布不均导致局部析锂;正极材料中的金属杂质,氧化后在负极表面还愿;充放电的反复体积变化等等因素都是短路的隐患。同时,我们无法在工艺层面保证清除所有的安全隐患,就像世间不会有两片相同的叶子一样。

聚焦电池安全 如何应对无法根除的锂电热失控?

同济大学教授 叶际平

锂电池副反应的安全性隐患是其电化学体系所决定的,并伴随电池比能量提高而变得愈加严重,即便再出色的电池管理系统(BMS)也无法从根本上解决锂离子动力电池的安全性问题。同济大学教授叶际平也在演讲中表示,BMS一个很大的问题就是不能像脑神经跟器官一般知道冷暖自如,BMS能够控制电池,但是电池里面的材料变化它无法反馈到BMS里面去。

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