动力电池安全性技术解析

在动力电池安全性标准方面，目前模块、系统对热失控的防热诱因测试方面，以及单体、模组和系统的生命周期安全性测试标准缺失，亟待研究与制定。现行国家安全标准主要针对源自电池外部因素的安全风险，尚无检测电池内部热失控的项目。

动力电池热失控与扩展分析

所谓热失控(thermalrunaway)是指单体电池放热连锁反应引起电池自温升速率急剧变化，不可逆，引起过热、起火、爆炸现象。

热失控扩展(thermalrunawaypropagation)是指电池包，或者电池系统内容的单体电池或者电池模组单元热失控，并触发电池系统中相邻或其他部位的动力电池的热失控的现象。

图1为清华大学得到的某款常见材料的锂离子动力电池热失控的机理，可以看到热失控发生时，各种材料相继发生热化学反应，放出大量的热量，形成链式反应效应，使得电池体系内部温度不可逆快速升高。链式反应过程中，电解液气化及副反应产气造成电池体系内压力升高，电池喷阀破裂后，可燃气体被点燃发生燃烧反应。单体电池的热失控特性表现为其组成材料反应热特性的叠加。

图1锂离子动力电池单体热失控链式反应机理

(1)热失控诱因

热失控主要诱因包括：机械诱因、电诱因和热诱因，如图7所示。以上诱因可单独或者结合引发热失控。

机械诱因引发的热失控及扩展引起火灾的典型案例包括全球销量领先的美国通用公司的VOLT插电式混合动力轿车在碰撞后发生着火的研究结果。以及全球最受欢迎的纯电动轿车特斯拉ModelS运行过程中由于底盘被路上突出物刺穿，引发着火。

电诱因引发的电动汽车着火的案例中典型代表是中国某品牌公交车在充电站由于过充电引发着火事件(如图2所示)，以及特斯拉ModelS在冬季低温充电发生着火的事故等，如图3所示。

图2电动公交车过充引发着火

图3低温充电引发着火

热触发热失控引起电动汽车起火的典型例子是一辆丰田普锐斯插电式混合动力轿车在运行中起火，其原因是一个连接部件的松动使得系统产生高温，从而引发电池包的热失控与扩展。

电动汽车高压系统在水浸泡可触发热失控，从而引起电动汽车着火，典型案例是南京纯电动公交车在大雨过后的积水里浸泡后一段时间后着火，如图4所示。

图4纯电动客车在水中浸泡一段时间后着火

以上热失控诱因是直接可观的，除此之外，对于使用中的电动汽车有一个生命周期安全性问题，比如使用一段时间的电动汽车在无任何触发事件情况下会发生由电池部件的热失控引发的自燃，如图5所示公交车在场站静置停靠时自燃，并且引燃了附近停靠的公交车，造成较大损失。

图5停靠在站内的电动公交车电池包自燃(生命周期安全问题)

(2)热失控机理

在外部诱因作用下，经过演变过程，电池事故将会进入“触发”阶段。一般地，进入触发阶段之后，锂离子动力电池内部的能量将会在瞬间集中释放，此过程不可逆且不可控，即热失控。热失控后的电池发生剧烈升温，在高温下可以观察到冒烟、起火与爆炸等危险现象。

当然，从广义的“安全性”的定义来看，电池安全事故中，也可能不发生热失控。比如电池发生碰撞事故后并不一定发生热失控;而电池组绝缘失效造成人员高电压触电，电池漏液产生异味造成车载人员身体不适等情况下，电池也不会发生热失控。在动力电池系统的安全设计当中，以上情况都需要考虑。

而热失控则是安全性事故最常见的事故原因，也是锂离子动力电池安全性事故特有的特点。大量实验现象表明，热失控后的电池不一定会同时发生冒烟、起火与爆炸，也可能都不发生，这取决于电池材料发生热失控的机理。

图6与图17展示了某款具有三元正极/PE基质的陶瓷隔膜/石墨负极的锂离子动力电池的热失控机理。

图6为该款锂离子动力电池绝热热失控实验中的温度与电压曲线，根据其热失控温度变化的特征，将热失控过程分为了7个阶段。在不同阶段，电池材料发生不同的变化。

图7通过一系列的图片解释了各个阶段电池材料的变化情况

对于冒烟的情况而言，在阶段V，如果电池内部温度低于正极集流体铝箔的熔化温度660℃，电池正极涂层就不会随着反应产生的气体喷出，此时观察到的会是白烟;而如果电池内部温度高于660℃，正极集流体铝箔熔化，电池正极涂层随着反应产生的气体大量喷出，此时观察到的会是黑烟。

对于起火的情况而言，热失控事故中的起火一般是由于电解液及其分解产物被点燃造成的。所以，从阶段II开始，从安全阀泄漏出来的电解液就有可能被点燃而起火。

从燃烧反应的三要素(可燃物，氧气，引燃物)来看，可燃物即是电解液;氧气在电池内部存在不足，因此电解液需要泄漏出来才会发生起火;引燃物可能来自于电池外短路产生的电弧，也可能来自热失控时，高速喷出的气体与安全阀体摩擦所产生的火星。

对于爆炸的情况而言，爆炸一般表现为高压气体瞬间扩散造成的冲击。电池内部具有高压气体积聚的条件，而安全阀则是及时释放高压积聚气体的关键。安全阀体如能在电池壳体破裂之前开启，并释放足够多的在热失控过程中产生的高压气体，电池就不会发生爆炸;安全阀体如不能及时开启，就可能会发生爆炸事故。

动力电池安全性技术标准需求

安全性测试标准对于提升动力电池的安全性水平尤为重要。基于上述动力电池安全性问题的梳理，对相应的安全性技术测试标准提出了迫切的需求。目前国内采用的动力电池安全性测试的标准主要包括和。

GB/T31485-2015主要考核动力电池单体和模组的安全指标，围绕化学能的防护，给出了一系列滥用情况以及极端情况下的安全要求和检验规范。GB/T31467侧重于电池包或电池系统级的检验规范。GB/T31467.3-2015主要针对安全要求和测试方法做了明确的规定。结合GB/T31485-2015，构成了从电池单体、模组、到动力电池包和动力电池系统的完整的化学能防护规范。目前，总体上动力电池相关测试标准较国外严格。

表3GB/T31485-2015标准测试内容

表4GB/T31467.3测试内容

表5目前动力电池安全性标准与需求

通过上述分析可以看出，在动力电池安全性标准方面，目前模块、系统对热失控的防热诱因测试方面，以及单体、模组和系统的生命周期安全性测试标准缺失，亟待研究与制定。