為新能源汽車插上安全的翅膀---新能源汽車用鋰離子電池的安全風(fēng)險(xiǎn)與防護(hù)

作為交通行業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要組成部分,新能源汽車經(jīng)過十多年的發(fā)展,已經(jīng)成為我國汽車工業(yè)中重要的組成部分。根據(jù)公安部統(tǒng)計(jì),截至2023年9月底,全國新能源汽車保有量達(dá)到1821萬輛。而根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)最新的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),新能源汽車在2023年10月的產(chǎn)銷分別達(dá)到98.9萬輛和95.6萬輛,市場(chǎng)占有率達(dá)到33.5%預(yù)測(cè),中汽協(xié)預(yù)測(cè)2023年全國新能源汽車銷量將超過900萬輛。

在新能源汽車蓬勃發(fā)展的大趨勢(shì)下,對(duì)于新能源汽車搭載的鋰離子電池的安全性擔(dān)憂一直是困擾市場(chǎng)的一個(gè)重要因素。為了達(dá)到更好的車輛性能與更長的續(xù)航里程,新能源汽車搭載的鋰離子電池的能量密度與電池容量在不斷增加,同時(shí)配套的整車電氣系統(tǒng)也在采用更高的系統(tǒng)電壓與更大的電流以縮短充電時(shí)間。這就對(duì)新能源汽車的安全性提出了更高的要求。

在新能源汽車用鋰離子電池的安全風(fēng)險(xiǎn)中,主要包括起火風(fēng)險(xiǎn)、爆炸風(fēng)險(xiǎn)、電弧風(fēng)險(xiǎn)、化學(xué)風(fēng)險(xiǎn)、和電擊風(fēng)險(xiǎn)。其中起火風(fēng)險(xiǎn)、爆炸風(fēng)險(xiǎn)、電弧風(fēng)險(xiǎn)是受到最多關(guān)注的三大風(fēng)險(xiǎn)。

鋰離子電池的起火風(fēng)險(xiǎn)主要來源于各種內(nèi)部或外部因素導(dǎo)致的電芯內(nèi)部短路,其造成的熱失控在短時(shí)間內(nèi)釋放大量熱量與可燃?xì)怏w。如果電池管理系統(tǒng)沒有及時(shí)介入,產(chǎn)生的大量熱量與可燃?xì)怏w擴(kuò)散到相鄰的電芯,會(huì)引發(fā)整個(gè)電池包的起火。同時(shí),在電芯熱失控的過程中產(chǎn)生的大量可燃?xì)怏w如果沒有通過有效的泄壓系統(tǒng)排出,會(huì)進(jìn)一步引發(fā)電池包的燃爆或爆炸,造成爆炸風(fēng)險(xiǎn),可能引起更嚴(yán)重的安全事故。

高壓電弧也是新能源汽車用鋰離子電池安全性風(fēng)險(xiǎn)中重要的一種,是指在電池包中發(fā)生的高壓電流通過氣體或介質(zhì)產(chǎn)生的放電現(xiàn)象。當(dāng)電池包中的電流達(dá)到一定電壓時(shí)會(huì)形成電弧,在電極之間產(chǎn)生高溫、高能量的放電現(xiàn)象。高壓電弧常常發(fā)生在電路的開斷過程、絕緣受損、或者局部短路。由于高能量電弧可產(chǎn)生嚴(yán)重的聲、光、熱效應(yīng),高壓電弧帶來的危害非常嚴(yán)重,其瞬間溫度高達(dá)上萬度,足以引起可燃物燃燒,甚至?xí)菇饘偃刍w濺,進(jìn)而引起爆炸。

除了起火風(fēng)險(xiǎn)、爆炸風(fēng)險(xiǎn)、和電弧風(fēng)險(xiǎn),新能源汽車用鋰離子電池也存在化學(xué)風(fēng)險(xiǎn)和電擊風(fēng)險(xiǎn)。化學(xué)風(fēng)險(xiǎn)主要來源于電池包熱失控后產(chǎn)生的有毒氣體,包括H2、CO、各種碳?xì)浠衔?同時(shí)電解液的主要成分是LiPF6,遇水會(huì)形成具有腐蝕性和刺激性的氣體,對(duì)人體健康造成傷害。另一方面,新能源汽車電池包的電壓一般在400伏特以上,如果在維修或拆解過程中操作不規(guī)范,存在引起嚴(yán)重的電擊事故的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)新能源汽車用鋰離子電池的諸多風(fēng)險(xiǎn),防范的措施需要從電芯、模組、控制系統(tǒng)、和電池系統(tǒng)4個(gè)方面著手。

電芯方面涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料設(shè)計(jì)。電芯結(jié)構(gòu)影響散熱路徑與失效模式,是降低電芯熱失控的重要途徑;電芯的材料與安全性能有極大的相關(guān)性,由于電解液本身是可燃性材料,因此全球電池企業(yè)的研發(fā)重點(diǎn)是通過添加阻燃劑或采用固態(tài)電池等難燃性的電解液方案來提高安全性。模組方面,主要通過提高電芯一致性減少個(gè)別電芯“過充”、“過放”、或短路的風(fēng)險(xiǎn)。另一方面,選擇質(zhì)量可靠的材料有助于提升電芯的一致性,例如高質(zhì)量的銅箔能夠有效降低涂覆過程中的缺陷發(fā)生,確保電芯的一致性,提升鋰離子電池包的整體安全性?？刂葡到y(tǒng)中,電池管理系統(tǒng)對(duì)于電池的熱管理具有決定性影響,能夠在電池發(fā)生熱失控時(shí)有效隔離發(fā)生問題的電芯,保證整體電池包的安全。

電池系統(tǒng)整體安全性的提升,一方面需要通過各個(gè)子系統(tǒng)安全性能的提升,另一方面也需要同系統(tǒng)安全性能的提升。整個(gè)鋰離子電池在使用過程中會(huì)面對(duì)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境,包括顛簸路面帶來的機(jī)械沖擊、高低溫環(huán)境帶來的溫度沖擊、車輛遭遇意外事故的外部沖擊等。動(dòng)力電池的線纜、帶電體、保護(hù)線路等需要可靠連接,尤其要避免不同材料連接處發(fā)生的電化學(xué)腐蝕,造成電擊、起火等風(fēng)險(xiǎn)。市場(chǎng)上有許多整車起火案例或者電池產(chǎn)品的起火案例和電氣連接松脫有關(guān),因此需要引起高度重視。

隨著新能源汽車普及程度的快速提升,消費(fèi)者對(duì)于其安全性的關(guān)注程度也會(huì)不斷提升。作為新能源汽車的主要零部件系統(tǒng)和安全性風(fēng)險(xiǎn)較高的子系統(tǒng),鋰離子電池的安全性提升需要企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)、政府、消費(fèi)者保護(hù)機(jī)構(gòu)等多方面的共同努力。

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關(guān)鍵詞：電池,風(fēng)險(xiǎn),汽車,新能源,離子