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特斯拉自燃了,但电动汽车对电池热失控并非不设防

4月21日,一辆特斯拉Model S在上海地下车库发生自燃,自燃的视频在网络上迅速传播。很多媒体强调:“从冒烟到起火只有4秒,根本来不及逃生”。这让很多人觉得,电动汽车非常不安全。而且这么多电池,一旦一个电池故障,整辆车和车内的人就都危在旦夕。

其实,如果单个电芯或者部分电芯故障,并且发热甚至燃烧的情况,在动力电池电芯、模组、系统的设计和制造过程中,是有所考虑并且防护的。

本文尝试为大家做一个解读。

1、什么是热失控

先说什么叫热失控,根据标准《电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求》里的定义,热失控指的是电池单体放热连锁反应引起的电池自温升速率急剧变化的过热、起火、爆炸现象。

新能源汽车的动力电池系统一般主要由电池模组、电池管理系统BMS、热管理系统以及一些电气和机械系统等构成。

整车厂、或者动力电池系统的厂商,在设计生产电池系统时,要考虑多重因素。

为了便宜,他们希望电池系统成本低;为了车跑得远,续航里程长,他们希望能量密度高;为了安全,他们希望电池系统安全性高。这些都是新能源汽车能否大规模推广应用的重要因素。但是,遗憾的是,往往这几个因素之间是互相约束的,你不可能什么都追求极端。

我们可以看看下图。为了追求更长的续航里程,我们不得不用能量密度越来越高的电池:从铅酸电池、镍镉电池,到磷酸铁锂、三元电池,而且是能量密度越来越高的三元电池。

来源:论文Thermalrunaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles: A review

但是,能量密度越高的电池,热稳定性就更低。因此,为了能用好这些高能量密度的电池,安全性也得到了进一步地重视。

最主要的,就是防范热失控。动力锂离子电池在过充放电、针刺、碰撞情况下,都有可能引起连锁放热反应,造成热失控,形成冒烟、失火甚至爆炸等。

除了以上这些极端情形,常规情况下电池也会产生热量,散热设计不好,也可能导致热失控。

单个电池(即电芯)由于其自身有一定的内阻,在充放电的同时,就会产生一定的热量,使得自身温度变高。当自身温度超出其正常工作温度范围间时,电池的性能和寿命会受到影响。

除了电芯自身产生的热量,还有来自环境——也就是电芯所在的动力电池系统的热量。

系统在不同的应用工况下的工作过程中,也会产生大量的热,聚集在狭小的电池箱体内。热量如果不能够及时地快速散出,也会影响系统内的电池寿命,甚至出现热失控,导致电芯起火爆炸等。

特斯拉的车型,以长续航里程为特点,也是不断提高电芯能量密度实现的。

目前特斯拉所采用的三元NCA电芯,由于能量密度高,在针刺测试时,会剧烈燃烧,和其他电芯比,自然不算好。而且从材料性质上来看,三元电池的分解温度要低于磷酸铁锂,在同样的高温环境下,发生热失控的几率要高于磷酸铁锂。因此,特斯拉电池热失控的原因,可以从电芯本身和外部环境两块来看。后者对前者又会有一定的影响。

2、热失控的产生原因

特斯拉这起自燃不是第一起电动汽车起火,也不会是最后一起。

从这几年发生的电动汽车的安全事故来看,原因主要集中在外部撞击形成针刺挤压或者密封失效浸水,高温环境下热集中和过充放电过程,电芯本身漏液等,伴随电芯内部的短路造成热失控。在研究电动汽车自燃案例过程中,可以看到充放电原因造成的热失控不在少数。

锂离子动力电池在发生热失控的过程中,随着温度不断升高将会依次经历以下的过程,并不是一个瞬间就完成的过程:高温容量衰减→SEI 膜分解→负极-电解液反应→隔膜熔化过程→正极分解反应→电解质溶液分解反应→负极与粘接剂反应→电解液燃烧等。

图来自冯旭宁博士论文

从锂离子电池单体的构成部分来看,热失控的可能原因主要出现在电解液、正负电极材料的热稳定性能上。比如锂离子电池在充电时,金属锂的表面会沉积枝杈状锂枝晶,积累到一定程度就会刺穿电池隔膜,造成正负极直接接触而短路导致热失控。再比如,过充时,锂离子会从正极溢出与电解液溶剂发生反应产生热量。热量会反过来继续加热电池触发金属锂与溶剂、嵌锂碳与溶剂混合反应,在极小空间内产生无法立即排出的热量与气体,于是电池爆炸。

为了防止热失控,要对电芯、模组、系统都做隔热防控,但是电芯和模组级别的隔热防控,此前并没有被业界过多关注。因此,在电池系统的整体设计中,就必须考虑电芯单体和电池模块所在位置的温度环境的影响。在设计电池模块排列时,若单体电池或者模组之间排列紧凑,且没有散热和隔热措施的话,电池组在充放电时温度会急剧上升带来严重的安全隐患。

为了提高动力电池的安全性,还需避免或抑制热失控的发生。整体来看,业界解决锂离子电池热失控问题,主要从系统保护和电芯改进两个方面进行。

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