動(dòng)力鋰電池，幾乎全部的設(shè)計(jì)都打有安全的烙印，外殼的防水設(shè)計(jì)，電池包的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，熱管理系統(tǒng)，BMS的溫度監(jiān)測(cè)、煙霧報(bào)警、防過充過放程序等等。安全是動(dòng)力電池包的重中之重。

如果能夠釜底抽薪，動(dòng)力鋰電池自身足夠安全，則周邊工程的設(shè)計(jì)將會(huì)變得無比自由，成本也會(huì)應(yīng)聲而下。那么什么樣的鋰電池是安全的鋰電池？

1動(dòng)力鋰電池的基本組成

以圓柱形電池為例，如上圖所示，鋰電池的主要結(jié)構(gòu)包括殼體，正極，負(fù)極，隔膜，電解液，安全閥等安全保護(hù)裝置以及一些導(dǎo)電密封輔助結(jié)構(gòu)。

殼體，是整只電芯的保護(hù)層，對(duì)電芯起到支撐、隔離和絕緣等保護(hù)性作用。軟包電池，沒有高強(qiáng)度的殼體，其在小規(guī)模成組以后，也要設(shè)計(jì)具備一定強(qiáng)度的殼。

直接參與電池電化學(xué)過程的是正極、負(fù)極和電解液，可以說它們是事故的源頭，也是真正解決安全問題的病根所在。

2正極、負(fù)極和電解液的安全性問題

鋰電池的安全事故，無論是電芯老化或者自身質(zhì)量問題帶來的自內(nèi)而外的過熱，進(jìn)而導(dǎo)致熱失控，還是由于交通事故或者其他類型的濫用造成的熱失控，事故發(fā)生總要經(jīng)歷電芯材料劇烈反應(yīng)的過程，如果能夠阻斷這個(gè)點(diǎn)，則電池可以失效，但永遠(yuǎn)不會(huì)燃爆。

2.1電解液

電解液存在兩個(gè)方向的問題，自身容易燃燒，又具有與正負(fù)極材料發(fā)生反應(yīng)的傾向。

初中化學(xué)告訴我們，燃燒的三要素：可燃物（燃燒的物質(zhì)），助燃物（氧氣）和燃點(diǎn)（達(dá)到可燃物的燃燒溫度）。三個(gè)條件缺一不可，阻斷其中之一，燃燒便不會(huì)發(fā)生。電池自身安全性，電池材料不可燃是安全隱患的終結(jié)者。

目前常見的電解液都是有機(jī)溶劑質(zhì)地，是極易燃燒的材質(zhì)。而電解液與正極發(fā)生副反應(yīng)的產(chǎn)物，就包含氧氣。因此，電池一旦積聚了較多熱量，達(dá)到較高溫度，連鎖反應(yīng)都會(huì)給電解液燃燒提供條件。

問題在于，電解液傳輸電荷的能力，對(duì)電池的電壓有直接的影響。當(dāng)前人們對(duì)于高電壓，高能量密度的追求，只有有機(jī)電解液才能滿足，因而暫時(shí)沒有找到更適合的材質(zhì)作為替代。

2.2正極材料

正極材料的安全性問題主要存在于兩個(gè)方面。一個(gè)是充電狀態(tài)下，材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，另一個(gè)是電池高溫下，正極材料與電解液的反應(yīng)腐蝕問題。

正極材料的穩(wěn)定性問題，主要出現(xiàn)在過大電流充電過程中，與材料不匹配的鋰離子脫出速率會(huì)沖垮材料晶格結(jié)構(gòu)，毀壞的部分材料反過來堵住離子通路，增加了離子嵌入難度。這個(gè)過程中會(huì)有熱量積累，是引發(fā)鋰電池事故的一種常見原因。

正極被電解液腐蝕，放出少量氣體和熱量，這是電池使用過程中老化的一個(gè)重要原因。但正極與電解液的劇烈反應(yīng)，一般出現(xiàn)在電池溫度已高的階段，一般超過200℃，是熱量爆發(fā)式生成的重要力量。反應(yīng)不但放出大量的熱，還會(huì)有氣體產(chǎn)生，使得事故的危害可能升級(jí)。

2.3負(fù)極材料

負(fù)極材料的安全性，主要圍繞其熱穩(wěn)定性進(jìn)行觀察，其穩(wěn)定程度與下面三個(gè)因素有關(guān)：電解液中電解質(zhì)的類型，石墨負(fù)極中嵌鋰碳含量的多少以及石墨負(fù)極使用的粘結(jié)劑的種類。

電解質(zhì)類型，石墨負(fù)極在首次充電化成中，形成保護(hù)膜SEI膜。SEI膜的存在，阻止了石墨與電解液的進(jìn)一步劇烈反應(yīng)。但電解液中的LiPF6對(duì)SEI膜的分解有促進(jìn)作用，使得鋰電池在大約60℃的儲(chǔ)存過程中，就可以出現(xiàn)分解并放熱。因此電解質(zhì)的成分對(duì)負(fù)極穩(wěn)定性有直接影響。

嵌鋰碳，有研究表明，負(fù)極中嵌鋰碳的含量高，會(huì)帶來負(fù)極與電解液更激烈的反應(yīng)。嵌鋰碳是在充電過程中形成，電池電量越高，其嵌鋰碳的含量也就越高。嵌鋰碳的影響，只能在電量高的階段加強(qiáng)其他安全措施，卻無法避免高濃度嵌鋰碳的現(xiàn)象出現(xiàn)。

負(fù)極粘結(jié)劑的種類，粘結(jié)劑在反應(yīng)中是否增加系統(tǒng)反應(yīng)放熱并沒有定論。不同類型的粘結(jié)劑，參與反應(yīng)的形式不同，有的成為嵌鋰碳反應(yīng)的助劑，有的自身參與反應(yīng)后失效，加速負(fù)極結(jié)構(gòu)走向崩潰。

以上三個(gè)方面的影響，發(fā)生的溫度由低到高，SEI膜的溶解，作為破壞式連鎖反應(yīng)的開端，阻止它發(fā)生意義重大。

3安全性能的改進(jìn)方向

3.1電解液

阻燃劑

在原來電解液的基礎(chǔ)上加入阻燃劑，具備可行性，只是特別適當(dāng)?shù)淖枞紕┻€沒有被發(fā)現(xiàn)。佛化物阻燃效果較好，但成本高；烷基磷酸酯，加入電解液后，降低了導(dǎo)電率，阻燃效果也一般，因而不能算是好的選擇；氮化物阻燃效果不明顯，且具毒性，基本不可行。阻燃劑是比較現(xiàn)實(shí)的技術(shù)路線，只是還需要時(shí)間和人力的投入。

固體電解質(zhì)

聚合物電解質(zhì)，是真正的固態(tài)電解質(zhì)和電解液之間的中間形態(tài)，是干態(tài)聚合物電解質(zhì)和電解液的并存狀態(tài)。但聚合物電解質(zhì)在安全性上，比之電解液已經(jīng)有很大提高，在漏液和燃燒性方面都有進(jìn)步。

在新聞中看到，某公司發(fā)明了不燃燒電解液。如果果然如宣傳的那樣，將是革命性的成果。

選擇恰當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)

通過對(duì)電解鹽類型的選擇，減少SEI膜溶解的幾率。

3.2正負(fù)極材料

從改善材料熱穩(wěn)定性的角度出發(fā)，選擇分子結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的材質(zhì)。負(fù)極，對(duì)于碳材料來說，球狀結(jié)構(gòu)比層狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好；跨越種類，尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰又比全部石墨材質(zhì)的負(fù)極穩(wěn)定性好。2.3中所述的各種安全問題，鈦酸鋰都不存在，是當(dāng)前負(fù)極材料中最安全的一種。

正極材料的可選擇范圍并不大，鈷酸鋰，由于穩(wěn)定性差，使用的范圍已經(jīng)越來越小。動(dòng)力電池主流的三種正極材料，磷酸鐵鋰、錳酸鋰和三元材料。從安全性角度考慮，磷酸鐵鋰的安全性最好，錳酸鋰次之，三元相對(duì)較差。

4安全輔助措施

在無法完全解決正負(fù)極材料和電解液的安全隱患的時(shí)候，人們退而求其次，采用一些輔助手段，主要發(fā)揮阻斷、報(bào)警、隔離的作用。這些措施具體包括以下幾種。

安全閥

安全閥的設(shè)計(jì)目的，是當(dāng)電芯內(nèi)部壓力增大到一定值時(shí)，期望它開啟，避免電芯爆炸，產(chǎn)生惡劣的影響。但安全閥開啟后，往往伴隨著電解液的泄漏，如果電解液可燃，則是扒了東墻補(bǔ)西墻的效果。在電芯真正發(fā)生熱失控后出現(xiàn)燃燒的階段，安全閥還可能成為小小的火焰噴射器，使得燃燒物質(zhì)在更大范圍內(nèi)傳播。因此，安全閥的設(shè)計(jì)需要全面周到的考慮。

溫度敏感電阻

在電信回路或者模組之間的連接導(dǎo)體上增加正溫度系數(shù)的溫度敏感電阻。正常運(yùn)行時(shí)，其電阻近似于一段導(dǎo)線，當(dāng)大電流發(fā)生時(shí)，受電流熱效應(yīng)的影響，其溫度上升到一定值，內(nèi)阻突然上升，達(dá)到基本阻斷短路電流的目的。這樣的裝置往往只能在外部短路的過程中發(fā)揮效力，對(duì)于內(nèi)短路引起的熱失控，作用較小。

熔斷器

類似于前面所述溫度敏感電阻的作用，只是熔斷器是在遇到大電流后主動(dòng)切斷回路，是一種不可恢復(fù)的安全手段。熔斷器的選取值需要預(yù)留比較大的余量，避免誤動(dòng)作帶來的影響。

隔熱墻設(shè)計(jì)

出于隔離熱失控電池的考慮，將整個(gè)電池包分割成若干區(qū)域。某一個(gè)區(qū)域發(fā)生熱失控時(shí)，避免其他區(qū)域受到牽連。是一種被動(dòng)減小人員傷亡的手段。

煙霧報(bào)警器和滅火器

目前已經(jīng)在客車上強(qiáng)制應(yīng)用，煙霧報(bào)警器檢測(cè)到火警信息，電池管理系統(tǒng)立即啟動(dòng)滅火器噴射滅火劑進(jìn)行滅火。這種方式的效力，往往取決于檢測(cè)到危險(xiǎn)發(fā)生的傳感器的敏感性和準(zhǔn)確性。

總之，選擇使用安全性好的電芯，是動(dòng)力電池包設(shè)計(jì)，提高安全性的起點(diǎn)。電芯的安全性，除了根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T31485-2014和GB/T31467.3的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行判斷以外，了解電芯安全性的由來也提高設(shè)計(jì)者的掌控感和信心。