公開資料顯示, 2018年1-6月新能源電池車在國內共發生8次起火事故, 與2017年基本持平, 其中5月之後的事故佔7起, 說明新能源汽車起火主要集中在夏季. 因充電導致的起火佔到一半, 成為第一誘因; 其次是碰撞和行駛中自燃, 電池在靜置和使用中都有可能發生起火事故. 從成型及品牌來看, 特斯拉, 江鈴等國內外純電動汽車均榜上有名. 而進入8月和9月以來, 公開起火事件已經多達12起, 遠高於前兩年一整年的起火數量.
2018年1月-6月電動車起火統計
鋰離子電池起火的原因分析
作為純電動汽車的能量來源, 鋰離子電池起火的原因主要是電池過熱而造成的熱失控, 這種過熱在電池充放電過程中最容易發生.
由於鋰離子電池自身具有一定的內阻, 在輸出電能的同時會產生一定熱量, 自身溫度變高, 當溫度超出其正常工作溫度範圍間時, 將會損害整個電池的壽命和安全.
(1) 機械濫用
主要發生在汽車碰撞時, 由於外力的作用, 鋰電池單體, 電池組發生變形, 自身不同部位發生相對位移, 導致電池隔膜被撕裂並發生內部短路; 易燃電解質泄漏最終引發起火.
在機械濫用中, 穿刺傷害最為嚴重, 它可能會導體插入電池本體, 造成正負極直接短路. 相比之下, 碰撞, 擠壓等, 只是機率性的發生內短路; 穿刺過程熱量的生成更加劇烈, 引發熱失控的機率更高.
(2) 電濫用
電濫用主要是對電池的使用不當造成的, 有外部短路, 過度充電和過度放電幾種類型. 其中, 過渡放電導致的危害最小, 但是由於過放造成的銅枝晶的增長會降低電池的安全性從而增加熱失控的幾率.
外部短路是在兩個存在壓差的導體在電芯外部接通導致的結果, 當外部短路發生時, 電池產生的熱量無法很好的散去時, 電池溫度也會隨之上升, 高溫觸發熱失控.
過度充電是電濫用中危害最高的一種. 由於過量的鋰嵌入, 鋰枝晶在陽極表面生長. 其次, 鋰的過度脫嵌導致陰極結構因發熱和氧釋放而崩潰 (NCA陰極的氧釋放) .
氧氣的釋放加速了電解質的分解, 產生大量氣體. 由於內部壓力的增加, 排氣閥開啟, 電池開始排氣. 電芯中的活性物質與空氣接觸後, 發生劇烈反應, 放出大量的熱, 從而引發電池包燃燒起火.
(3) 熱濫用
熱濫用主要指在電池中的局部過熱, 很少獨立存在, 往往是通過機械濫用和電氣濫用發展而來, 並且是最終直接觸發熱失控等事故的一種情況.
熱濫用一般多為外部環境高或者在溫度控制系統不起作用下導致的電池熱量過高從而造成的短路, 從而引發熱失控.
從原因上說, 熱濫用的原因是最為複雜的, 電池包的碰撞, 損壞, 電池內部的結構, 性能或是其他熱管理系統, 空調系統的失靈都可能導致熱濫用的發生.
(4) 內部短路
內部短路是由電池的正負極直接接觸, 當然接觸的程度不同, 引發的後續反應也差別很大, 通常由機械和熱量濫用引起的大規模內部短路將直接導致熱濫用.
引發內部短路原因同樣複雜, 比如鋰離子電池過度充電, 枝晶積累到一定程度導致刺穿電池隔膜, 從而發生內部短路或是碰撞, 穿刺傷害之後直接導致正負極接觸而導致熱失控.
與外部因素產生的內部短路相比, 源於電池製造過程中自發的缺陷而引起的內部短路, 程度比較輕微, 先天內部短路產生的熱量很少, 並不會立即觸發熱失控. 而且這種內在缺陷會經過一段時間才會演化為程度較輕的內短路.
解決動力電池熱失控的主要方法
針對鋰離子電池熱失控的情況, 目前國內主流的解決方法主要從外部保護和內部改進兩個方面進行改進. 外部保護主要是指系統方面的升級改進, 內部改進是指針對電池本身進行提高.
(1) 冷卻方式的提升
熱管理系統主要負責控制溫度, 確保電池一直處在一個合理的運行溫度下. 通常, 熱管理系統由整車控制器控制, 在電池包溫度異常時, 通過空調系統進行及時散熱或者加熱, 保證電池安全以及壽命.
電池的散熱方式根據導熱方式和介質的不同而分為四項: 空氣冷卻(風冷), 液體冷卻(水冷), 相變材料(固體), 和結合冷卻(風冷/水冷 + 固體冷卻)幾種.
(2) 內部材料及結構的改進
內部改進即從電芯內部的材料結構上進行改造, 從而使電池具備更好的耐熱, 散熱性能. 以目前的研究熱點來說, 發展固態電解液; 對正負極進行結構改造; 以及引入安全性更高的隔膜材料都是從內部提升電池熱性能的主流方法之一.
