动力电池安全事故原因分析

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电动汽车起火事故具有易触发、多诱因、潜伏性强的特点，不经意的小事件可能引发惨重的后果，起火过程有时是迅速的，也可能会在诱因发生的数个小时之后才突然起火。

锂离子电池从其自身的化学特性和体系组成上，决定了其是一种具有潜在危险的化学电源。电动汽车起火事故最主要的三大起因是电池的自燃、充电和汽车碰撞，而这些起因所对应的内部机理是电池的内部短路、外部短路与过充电等故障及其进一步引发的热失控。热失控的触发诱因复杂，已有许多学者开展了相关研究，但目前其机理仍未彻底明晰。

现有文献普遍认为引发电池热失控的主要故障形式概括为四类，即：内部短路、外部短路、过充电与过放电。其中，内部短路引起了电池的自燃，充电时电池起火的原因主要是过充电，而持续的过充电或过放电会引起电池的内部短路，汽车碰撞中起火事故同时对应着电池的内部、外部短路，而设备、线缆的老化、电池箱浸水等引发起火的本质则是外部短路。电池的内部短路、外部短路和过充电都会大量产热导致电池热失控、引发火灾。

事故滥用一般分为机械滥用、电滥用和热滥用三类。可追溯的机械滥用和电滥用情形较多，热滥用直接引发热失控，事故中伴随有冒烟、起火和爆炸。

从电池失效的机理来看，深层次地科学问题是电化学动力系统的失效。电化学滥用是滥用机理层面的问题，需要加以重视。对电化学滥用机理的深入认识，有助于1)对已发事故现象的合理解释;2)提高测试评价标准的权威性和预见性。

在电池失控的主要触发条件当中，短路占绝大多数(>90%);随着电池比能量的提升，以及对材料利用效率的压榨，析锂问题逐渐显现;高镍正极可能降低高温释放活性氧的温度，不过目前还未见事故报道。

1、内部短路故障机理

从触发机制上看，内部短路有三类不同的类型，第一类是自引发内短路，第二类是由于过充电/过放电引发的内短路，第三类则是由于机械破坏引发的内短路。自引发内短路潜伏性强、作用时间长。自引发内短路主要是由于电池内部原因所导致，包括正极材料掺杂，隔膜材质不佳，铜箔铝箔分切毛刺，叠片、卷绕错位，以及电解液浸润不均等。自引发内短路潜伏性强、作用时间长;过充电/过放电时会在电极形成许多针状晶枝，这些针状晶枝会刺破电池隔膜，造成多个微小的短路回路，并持续放热，需要注意的是，过充引发的内短路也并不一定立刻触发热失控，有可能这个过程的温升还不足以达到热失控临界阈值，在车辆驶离充电站之后，由于内短路的持续运作，电池温度继续攀升而达到失控温度引发车辆起火。机械破坏引发内短路是汽车碰撞时电池被挤压/穿刺而引发，这类情况难以预测，只能通过恰当的应对措施来降低危害。

2、过充电故障机理

关于电池过充电的故障机理目前已有较为成熟的研究，当电池发生过充电时，由于负极的储存格已装满，后续的锂离子会堆积于负极材料表面形成金属锂，并由负极表面往锂离子来的方向长出树枝状结晶，形成的金属锂结晶会穿破隔膜使正负极短路从而引发短路。实际情况下，车载电池管理系统(Battery management system,BMS)会对电池过充电进行有效监管，然而电池组是由诸多单体电池组合而成，由于各电池单体之间存在不一致性，因此虽然整个电池组状态完好，但难以避免某单一个体发生过充，另一方面，不恰当的充电方式也增加了过充的可能性，过大的充电电流、极片涂层分布不均等现象也可能会引起局部过充电。

3、过放电故障机理

电池发生过放电时首要的表现是活性物质结构被破坏，将对锂电池的正负极造成永久的损坏。从分子层面看，过放电导致负极碳过度释放出锂离子而使得其片层结构出现塌陷，最直观的损伤效果是严重影响电池的循环寿命。但是持续的过放电过程会导致电池负极电位不断升高，当负极电位达到铜箔集流体溶解电位时，发生铜箔溶解的电化学反应，溶解的铜离子穿过隔膜到达电池正极，在低电势区域被还原为金属铜，逐渐沉积的金属铜从正极方向生长并最终穿过隔膜、引发电池内部短路。

4、外部短路故障机理

电池外部短路时电池会产生很大的电流，大量的欧姆热并使电池内部及表面连接处急速升温，如果防护器件未能切断会乱，电池内部会很快升温造成电解液汽化，可能会造成电池鼓包或者冲开泄气阀，漏液并喷射出可燃气体。外部短路可能会产生明火(电弧)，是非常危险的故障形式。尽管外部短路故障的触发机理较为简单，但是其复杂不确定性后果和影响不容忽视。尤其当外部短路与其他故障并发时，当电池发生外部短路时，很容易导致电池直接起火甚至爆炸。

5、热失控触发机理

根据现有文献，当电池温度达到80～120℃时，覆盖在电池负极表面的SEI膜发生分解，随后负极活性物质失去保护，嵌入负极的锂金属与电解液发生反应。温度继续上升会引发电池多孔隔膜闭孔，常见的隔膜材料有聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)两类，其隔膜闭孔的起始温度约为130℃和170℃，隔膜闭孔会阻断外部短路的电流回路，起到一定的自保护作用，但如果温度继续上升，隔膜会在190℃左右解体，引发内部短路，释放大量的电能使温度迅速升高，进而引发正极分解与电解质分解反应，正极分解会释放大量的热量，被认为是触发热失控的重要原因之一。需要注意的是，为理想加热情况下的纯理论结论，实际情况下由于存在电池短路所产生的欧姆热以及复杂塑性破坏引发的不确定性因素，热失控触发过程会更为复杂。