锂电池热失控过程讲解

1、试验样品和针刺试验介绍 即将应用在比亚迪汉车型上的刀片型磷酸铁锂电池（下称“刀片电池”），通过无模组电池成组方式，提升了电池包的整体能量密度，进一步延长了车辆续航里程，在续航里程上追近了采用三元锂离子电池的主流车型。加上目前基于磷酸铁锂电池的刀片电池在安全性和抗容量衰减特性上相比三元锂离子电池更有优势，使其重新获得乘用车消费者的关注。最近比亚迪电池实验室对刀片电池进行了严酷的针刺试验，作为对比，现场也对普通磷酸铁锂和三元锂离子电池样品进行了同样的试验。下面就让我们来看看这三种电池被钢针刺穿后会发生什么？热失控与针刺试验虽然美国国家公路交通安全管理局研究认为，电动汽车起火概率要低于柴油和汽油发动机车辆，我国消防应急管理部门也表达了类似观点，但每每出现纯电动车自燃的新闻时却总是能博取到人们的关注。根据新能源汽车国家大数据联盟数据显示，去年5月以来出现事故的车辆，以2018年生产的车为主。其中，事故车辆86%为三元锂离子电池，7%为磷酸铁锂电池，7%不确定。而与电池相关的自燃事故大多与电芯热失控密切相关。那么什么是热失控呢？电池的热失控是指电池内部化学反应的产热速率远高于散热速率，大量热量在电池内部积累导致电池温度急速上升，最终引起电池起火或爆炸。

最新的强制性国标相较于2015版本有明显的变化，除了对2015版国标的已有项目进行修订外，还取消了模组级别安全试验、电芯针刺试验、电芯跌落试验、电芯低气压试验、电芯海水浸泡试验、电池包跌落试验以及电池包翻转试验，增加了电池包的热扩散试验和过流保护试验。在执行层面，由于新国标尚未正式推行，目前企业可以选择性执行新国标规定的过充和热扩散试验，2015版国标强制要求的针刺试验现在也作为可选项目由企业选择性执行。● 试验样品有哪些？此次针刺试验除了有比亚迪最新的刀片电池外，作为对比，我们也找来普通磷酸铁锂电池、NCM622三元锂离子电池（正极材料中的镍钴锰三种成分的比例为62）进行试验。我们要看看这三种电池在严酷的针刺试验下，都有怎样的表现。此次针刺试验的电池样品都是比亚迪生产的车用动力电池电芯，电芯单体容量都在100Ah以上。从上图可以看出，普通磷酸铁锂电池和NCM622三元锂离子电池在外形和结构设计上没有太大的区别；刀片电池则与上述两者区别明显，其正负极分别布置在电池长度方向的两端。● 刀片电池是什么黑科技？既然今天针刺试验的主角是刀片电池，首先我们就要对它有个大致的了解，到底比亚迪的刀片电池是一样怎么样的东西？它在技术上有怎样的先进性呢？

根据此前公布的消息，汉纯电动版车型将会搭载重量为549kg、容量为77kWh的电池包。按照刀片电池单体参数来简单推算一下，该电池包内将集成超过200个刀片电池单体。

比亚迪通过CTP设计把电池包壳体内部的空间利用率由传统设计方式的40-50%提升至60-80%。设计的更新换代带来的直接好处就是在采用原有磷酸铁锂电池技术的前提下较大地提升纯电动车的续航里程。上面对刀片电池进行了简单的科普，更详细的技术解析可参看下面这篇文章的相关介绍。● 针刺实验是怎么做的？按照GB/T 31485-2015的针刺试验方法，将电池充满电，用直径为5-8mm的耐高温钢针（此次试验采用5mm直径的钢针），以（25±5）mm/s的速度，从垂直于电池极板的方向贯穿，贯穿位置宜靠近所刺面的几何中心，钢针停留在电池中，观察1小时，不起火、不爆炸才算合格。

单个电池热失控时，其外壳温度越高，电池间的热扩散会越迅速，这意味着临近的电池也会更快地升温而相继触发热失控，导致电池包的安全系数下降。实验中的鸡蛋如果很快地被煎熟，说明电池在受到针刺时出现明显的热失控导致电池温度急剧上升。2、试验结果解析● 实验结果到底咋样？此次针刺试验是在比亚迪的电池实验室内进行的，由于实验室保密和安全原因，我们不能拍摄电池针刺的过程，所以通过官方采用实验室专用的监控摄像头拍摄的视频进行讲解。◆ 三元锂离子电池首先，我们要做的是NCM622三元锂离子电池的针刺试验，这相信也是各位观众老爷们最为关心的环节，因为目前国内很大一部分纯电动车采用的就是三元锂离子电池。对三元锂离子电池有一定了解的朋友应该会知道，车用的三元锂离子电池是比较难通过针刺试验的，只要针刺触发了内部短路，电池便会马上发生热失控，下面我们用试验来看看三元锂离子电池在针刺试验中究竟会有怎样的反应？

从实验现象我们可以了解到，当钢针刺穿电池导致三元锂离子电池内部短路后，极高的升温速率会使三元正极材料快速达到200摄氏度左右的分解温度，三元正极材料高速分解产生大量的游离态氧，这些游离态氧会进一步增加各种化学反应的产热量，提高电池内部升温速率，同时也使电池内部压力迅速上升。迅速攀升的电池内部压力很快推开了泄压阀，内部高压电解液喷薄而出，外部空气此时进入到电池内部，新鲜的空气+极高的温度+残留在电池内部的可燃电解液，爆炸起火便一触即发。◆ 普通磷酸铁锂电池接下来我们换普通磷酸铁锂电池上场。钢针从电池中央穿透其内部极板。在钢针穿透电池后，电池电压开始下降，电池外壳有一定程度的鼓胀，显示内部短路导致电池内部压力迅速上升，随后泄压阀打开，电池内部高压电解液喷出，之后电压迅速下降的同时，电池外壳温度迅速攀升，最高达到239摄氏度。随着电池内容物通过泄压阀悉数喷出，电池外壳温度开始慢慢回落直至观察期结束。打在穿孔位置附近的鸡蛋已被高温壳体煎熟了，表明试验过程中电池外壳温度较高。

磷酸铁锂电池热失控反应之所以没有三元锂离子电池剧烈，主要是因为其正极材料分解温度在500摄氏度以上，热失控温度相比三元锂离子电池更高，其热失控风险相对较低。此外，磷酸铁锂电池正极分解（触发热失控的一个主因）时产生的氧气量较少，限制了电池内部压力增加（限制了电池外壳鼓涨）及温度升高，这一方面能够避免电池内部压力过大发生爆炸，另一方面也一定程度地限制了易燃电解液发生燃烧的可能性。磷酸铁锂在热失控测试中，其升温速率相比三元锂离子电池要低得多，这也是其安全系数较高的重要特性之一。

从实验现象我们可以看出，利用针刺来触发普通磷酸铁锂电池内部短路会导致其发生热失控。普通磷酸铁锂电池热失控后会导致电池内部温度和压力迅速上升，导致电池外壳产生一定程度鼓胀并触发泄压阀打开（泄压阀开启时伴随着一定的声响，但这并非爆炸）。虽然视频的效果看上去很惊险，但在整个试验过程中，电池没有发生起火和爆炸，安全性还是值得肯定的。值得一提的是，泄压阀是一种热失控保护措施，它在本次试验中热失控发生时适时打开，证明这种措施是行之有效的。◆ 刀片电池我们最后测试的是刀片电池。钢针从刀片电池中央穿透其极板后，电池电压下降和表面温度上升都非常轻微，穿刺位置没有火花、烟雾或电解液喷出，电池壳体也没有出现鼓胀。穿刺后的一小时内，被穿刺刀片电池的电压和表面温度都非常稳定，打在穿孔位置附近的鸡蛋没有任何要被煎熟的趋势。

看到这里，可能有些买了搭载三元锂离子电池纯电动车的朋友开始坐不住了，是不是要换一台搭载磷酸铁锂电池的车型更安全呢？且慢，上述试验是电池单体的零部件安全试验，虽然三元锂离子电池单体安全系数较低，但通过电池包结构设计优化以及电池管理系统的严格监控，是能够提升该类型电池在电池包级别的安全系数的，请各位继续往下看。● 如何保证搭载三元锂离子电池车辆的使用安全从车辆使用安全的角度出发，新国标新增了热扩散试验，要求电池包或电池单体发生热失控引起热扩散，进而导致乘员舱发生危险之前5分钟，为乘员提供一个预先警告信号，提醒乘员疏散。热扩散试验的目的就是为了提升电动车在使用层面的安全性，保证使用者的人身安全。

有朋友会问，都热失控了才报警，这还来得及吗？要回答这个问题，我们就要先来了解一下电池包的结构。电动车电池包内部是有数十到数千个不等的电池单体组成的，其中一个电池单体发生热失控一般是不会立即触发临近电池单体的热失控。所以电池包要真的燃烧起来，达到损害人身安全的程度，其实是有一个过程的。三元锂离子电池虽然热失控安全系数相对较低，但是通过电池单体泄压阀设计，在电池单体间增加隔热绝缘材料是能够有效阻止热扩散，可减慢或者避免其他电池单体发生热失控，延长乘员逃生时间的。

由于针刺并非常规的电池失效模式，电动车在日常使用中，其电池包或电池单体极难遇到被针刺的情况。而在严重碰撞事故中导致电池单体变形从而引发热失控则是较为常见的失效模式，通过加强电池包及周边保护结构的强度，能够较好地避免电池单体因受压变形而触发热失控。

总而言之，搭载在目前量产车型上的三元锂离子电池虽然其单体安全系数较低，但通过电池包和电池管理系统的优化设计是能够提升这种电池技术在使用层面上的安全性的，目前国标的基础要求还是比较严格的，所以消费者无需谈三元锂离子电池色变。

就目前国内的技术水平来看，安全指标一定程度限制了三元锂离子电池包整体能量密度的进一步提升，而较低的单体能量密度则限制着磷酸铁锂电池或刀片电池包整体能量密度的提升。相比起来，磷酸铁锂电池或刀片电池包在未来几年通过电池技术优化以及采用无模组电池包设计优化，电池包整体能量密度的提升空间较大，或能追平受到安全指标制约的三元锂离子电池包。

编辑总结：三元锂离子电池单体的热失控安全系数较低，但通过加强电池包壳体的强度，完善电池管理系统对热失控的检测和提前预警机制，利用隔热绝缘材料降低热扩散速率等都能有效地增强电池包的整体安全系数，以满足国标对车用动力电池的安全性要求，提升其使用层面的安全性。磷酸铁锂电池/刀片电池能量密度相对较低，但其热失控安全系数比三元锂离子电池高不少，这有利于使用无模组设计来进一步提升电池包整体能量密度，增加电动车的续航里程，从而在安全性和续航上实现更好的平衡。
责任编辑:pj