在動(dòng)力鋰電池安全性標(biāo)準(zhǔn)方面，目前模塊、系統(tǒng)對(duì)熱失控的防熱誘因測(cè)試方面，以及單體、模組和系統(tǒng)的生命周期安全性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)缺失，亟待研究與制定。現(xiàn)行國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)重要針對(duì)源自電池外部因素的安全風(fēng)險(xiǎn)，尚無檢測(cè)電池內(nèi)部熱失控的項(xiàng)目。

動(dòng)力鋰電池熱失控與擴(kuò)展分析

所謂熱失控(thermalrunaway)是指單體電池放熱連鎖反應(yīng)引起電池自溫升速率急劇變化，不可逆，引起過熱、起火、爆炸現(xiàn)象。

熱失控?cái)U(kuò)展(thermalrunawaypropagation)是指電池包，或者電池系統(tǒng)內(nèi)容的單體電池或者電池模組單元熱失控，并觸發(fā)電池系統(tǒng)中相鄰或其他部位的動(dòng)力鋰電池的熱失控的現(xiàn)象。

圖1為清華大學(xué)得到的某款常見材料的鋰離子動(dòng)力鋰電池?zé)崾Э氐臋C(jī)理，可以看到熱失控發(fā)生時(shí)，各種材料相繼發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，放出大量的熱量，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)效應(yīng)，使得電池體系內(nèi)部溫度不可逆快速升高。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程中，電解液氣化及副反應(yīng)產(chǎn)氣造成電池體系內(nèi)壓力升高，電池噴閥破裂后，可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃發(fā)生燃燒反應(yīng)。單體電池的熱失控特性表現(xiàn)為其組成材料反應(yīng)熱特性的疊加。

圖1鋰離子動(dòng)力鋰電池單體熱失控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理

(1)熱失控誘因

熱失控重要誘因包括：機(jī)械誘因、電誘因和熱誘因，如圖7所示。以上誘因可單獨(dú)或者結(jié)合引發(fā)熱失控。

機(jī)械誘因引發(fā)的熱失控及擴(kuò)展引起火災(zāi)的典型案例包括全球銷量領(lǐng)先的美國(guó)通用公司的VOLT插電式混合動(dòng)力轎車在碰撞后發(fā)生著火的研究結(jié)果。以及全球最受歡迎的純電動(dòng)轎車特斯拉ModelS運(yùn)行過程中由于底盤被路上突出物刺穿，引發(fā)著火。

電誘因引發(fā)的電動(dòng)汽車著火的案例中典型代表是我國(guó)某品牌公交車在充電站由于過充電引發(fā)著火事件(如圖2所示)，以及特斯拉ModelS在冬季低溫充電發(fā)生著火的事故等，如圖3所示。

圖2電動(dòng)公交車過充引發(fā)著火

圖3低溫充電引發(fā)著火

熱觸發(fā)熱失控引起電動(dòng)汽車起火的典型例子是一輛豐田普銳斯插電式混合動(dòng)力轎車在運(yùn)行中起火，其原因是一個(gè)連接部件的松動(dòng)使得系統(tǒng)出現(xiàn)高溫，從而引發(fā)電池包的熱失控與擴(kuò)展。

電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)在水浸泡可觸發(fā)熱失控，從而引起電動(dòng)汽車著火，典型案例是南京純電動(dòng)公交車在大雨過后的積水里浸泡后一段時(shí)間后著火，如圖4所示。

圖4純電動(dòng)客車在水中浸泡一段時(shí)間后著火

以上熱失控誘因是直接可觀的，除此之外，關(guān)于使用中的電動(dòng)汽車有一個(gè)生命周期安全性問題，比如使用一段時(shí)間的電動(dòng)汽車在無任何觸發(fā)事件情況下會(huì)發(fā)生由電池部件的熱失控引發(fā)的自燃，如圖5所示公交車在場(chǎng)站靜置停靠時(shí)自燃，并且引燃了附近停靠的公交車，造成較大損失。

圖5停靠在站內(nèi)的電動(dòng)公交車電池包自燃(生命周期安全問題)

(2)熱失控機(jī)理

在外部誘因用途下，經(jīng)過演變過程，電池事故將會(huì)進(jìn)入觸發(fā)階段。一般地，進(jìn)入觸發(fā)階段之后，鋰離子動(dòng)力鋰電池內(nèi)部的能量將會(huì)在瞬間集中釋放，此過程不可逆且不可控，即熱失控。熱失控后的電池發(fā)生劇烈升溫，在高溫下可以觀察到冒煙、起火與爆炸等危險(xiǎn)現(xiàn)象。

當(dāng)然，從廣義的安全性的含義來看，電池安全事故中，也可能不發(fā)生熱失控。比如電池發(fā)生碰撞事故后并不一定發(fā)生熱失控;而電池組絕緣失效造成人員高電壓觸電，電池漏液出現(xiàn)異味造成車載人員身體不適等情況下，電池也不會(huì)發(fā)生熱失控。在動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)當(dāng)中，以上情況都要考慮。

而熱失控則是安全性事故最常見的事故原因，也是鋰離子動(dòng)力鋰電池安全性事故特有的特點(diǎn)。大量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，熱失控后的電池不一定會(huì)同時(shí)發(fā)生冒煙、起火與爆炸，也可能都不發(fā)生，這取決于電池材料發(fā)生熱失控的機(jī)理。

圖6與圖17展示了某款具有三元正極/pE基質(zhì)的陶瓷隔膜/石墨負(fù)極的鋰離子動(dòng)力鋰電池的熱失控機(jī)理。

圖6為該款鋰離子動(dòng)力鋰電池絕熱熱失控實(shí)驗(yàn)中的溫度與電壓曲線，根據(jù)其熱失控溫度變化的特點(diǎn)，將熱失控過程分為了7個(gè)階段。在不同階段，電池材料發(fā)生不同的變化。

圖7通過一系列的圖片解釋了各個(gè)階段電池材料的變化情況

關(guān)于冒煙的情況而言，在階段V，假如電池內(nèi)部溫度低于正極集流體鋁箔的熔化溫度660℃，電池正極涂層就不會(huì)隨著反應(yīng)出現(xiàn)的氣體噴出，此時(shí)觀察到的會(huì)是白煙;而假如電池內(nèi)部溫度高于660℃，正極集流體鋁箔熔化，電池正極涂層隨著反應(yīng)出現(xiàn)的氣體大量噴出，此時(shí)觀察到的會(huì)是黑煙。

關(guān)于起火的情況而言，熱失控事故中的起火一般是由于電解液及其分解產(chǎn)物被點(diǎn)燃造成的。所以，從階段II開始，從安全閥泄漏出來的電解液就有可能被點(diǎn)燃而起火。

從燃燒反應(yīng)的三要素(可燃物，氧氣，引燃物)來看，可燃物即是電解液;氧氣在電池內(nèi)部存在不足，因此電解液要泄漏出來才會(huì)發(fā)生起火;引燃物可能來自于電池外短路出現(xiàn)的電弧，也可能來自熱失控時(shí)，高速噴出的氣體與安全閥體摩擦所出現(xiàn)的火星。

關(guān)于爆炸的情況而言，爆炸一般表現(xiàn)為高壓氣體瞬間擴(kuò)散造成的沖擊。電池內(nèi)部具有高壓氣體積聚的條件，而安全閥則是及時(shí)釋放高壓積聚氣體的關(guān)鍵。安全閥體如能在電池殼體破裂之前開啟，并釋放足夠多的在熱失控過程中出現(xiàn)的高壓氣體，電池就不會(huì)發(fā)生爆炸;安全閥體如不能及時(shí)開啟，就可能會(huì)發(fā)生爆炸事故。

動(dòng)力鋰電池安全性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)需求

安全性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于提升動(dòng)力鋰電池的安全性水平尤為重要。基于上述動(dòng)力鋰電池安全性問題的梳理，對(duì)相應(yīng)的安全性技術(shù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)提出了迫切的需求。目前國(guó)內(nèi)采用的動(dòng)力鋰電池安全性測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)重要包括和。

GB/T31485-2015重要考核動(dòng)力鋰電池單體和模組的安全指標(biāo)，圍繞化學(xué)能的防護(hù)，給出了一系列濫用情況以及極端情況下的安全要求和檢驗(yàn)規(guī)范。GB/T31467側(cè)重于電池包或電池系統(tǒng)級(jí)的檢驗(yàn)規(guī)范。GB/T31467.3-2015重要針對(duì)安全要求和測(cè)試方法做了明確的規(guī)定。結(jié)合GB/T31485-2015，構(gòu)成了從電池單體、模組、到動(dòng)力鋰電池包和動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)的完整的化學(xué)能防護(hù)規(guī)范。目前，總體上動(dòng)力鋰電池相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)較國(guó)外嚴(yán)格。

表3GB/T31485-2015標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試內(nèi)容

表4GB/T31467.3測(cè)試內(nèi)容

表5目前動(dòng)力鋰電池安全性標(biāo)準(zhǔn)與需求

通過上述分析可以看出，在動(dòng)力鋰電池安全性標(biāo)準(zhǔn)方面，目前模塊、系統(tǒng)對(duì)熱失控的防熱誘因測(cè)試方面，以及單體、模組和系統(tǒng)的生命周期安全性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)缺失，亟待研究與制定。