为新能源汽车插上安全的翅膀---新能源汽车用锂离子电池的安全风险与防护

作为交通行业实现“双碳”目标的重要组成部分,新能源汽车经过十多年的发展,已经成为我国汽车工业中重要的组成部分。根据公安部统计,截至2023年9月底,全国新能源汽车保有量达到1821万辆。而根据中国汽车工业协会最新的统计数据,新能源汽车在2023年10月的产销分别达到98.9万辆和95.6万辆,市场占有率达到33.5%预测,中汽协预测2023年全国新能源汽车销量将超过900万辆。

在新能源汽车蓬勃发展的大趋势下,对于新能源汽车搭载的锂离子电池的安全性担忧一直是困扰市场的一个重要因素。为了达到更好的车辆性能与更长的续航里程,新能源汽车搭载的锂离子电池的能量密度与电池容量在不断增加,同时配套的整车电气系统也在采用更高的系统电压与更大的电流以缩短充电时间。这就对新能源汽车的安全性提出了更高的要求。

在新能源汽车用锂离子电池的安全风险中,主要包括起火风险、爆炸风险、电弧风险、化学风险、和电击风险。其中起火风险、爆炸风险、电弧风险是受到最多关注的三大风险。

锂离子电池的起火风险主要来源于各种内部或外部因素导致的电芯内部短路,其造成的热失控在短时间内释放大量热量与可燃气体。如果电池管理系统没有及时介入,产生的大量热量与可燃气体扩散到相邻的电芯,会引发整个电池包的起火。同时,在电芯热失控的过程中产生的大量可燃气体如果没有通过有效的泄压系统排出,会进一步引发电池包的燃爆或爆炸,造成爆炸风险,可能引起更严重的安全事故。

高压电弧也是新能源汽车用锂离子电池安全性风险中重要的一种,是指在电池包中发生的高压电流通过气体或介质产生的放电现象。当电池包中的电流达到一定电压时会形成电弧,在电极之间产生高温、高能量的放电现象。高压电弧常常发生在电路的开断过程、绝缘受损、或者局部短路。由于高能量电弧可产生严重的声、光、热效应,高压电弧带来的危害非常严重,其瞬间温度高达上万度,足以引起可燃物燃烧,甚至会使金属熔化飞溅,进而引起爆炸。

除了起火风险、爆炸风险、和电弧风险,新能源汽车用锂离子电池也存在化学风险和电击风险。化学风险主要来源于电池包热失控后产生的有毒气体,包括H2、CO、各种碳氢化合物,同时电解液的主要成分是LiPF6,遇水会形成具有腐蚀性和刺激性的气体,对人体健康造成伤害。另一方面,新能源汽车电池包的电压一般在400伏特以上,如果在维修或拆解过程中操作不规范,存在引起严重的电击事故的风险。

针对新能源汽车用锂离子电池的诸多风险,防范的措施需要从电芯、模组、控制系统、和电池系统4个方面着手。

电芯方面涉及结构设计与材料设计。电芯结构影响散热路径与失效模式,是降低电芯热失控的重要途径;电芯的材料与安全性能有极大的相关性,由于电解液本身是可燃性材料,因此全球电池企业的研发重点是通过添加阻燃剂或采用固态电池等难燃性的电解液方案来提高安全性。模组方面,主要通过提高电芯一致性减少个别电芯“过充”、“过放”、或短路的风险。另一方面,选择质量可靠的材料有助于提升电芯的一致性,例如高质量的铜箔能够有效降低涂覆过程中的缺陷发生,确保电芯的一致性,提升锂离子电池包的整体安全性。控制系统中,电池管理系统对于电池的热管理具有决定性影响,能够在电池发生热失控时有效隔离发生问题的电芯,保证整体电池包的安全。

电池系统整体安全性的提升,一方面需要通过各个子系统安全性能的提升,另一方面也需要同系统安全性能的提升。整个锂离子电池在使用过程中会面对复杂的应用环境,包括颠簸路面带来的机械冲击、高低温环境带来的温度冲击、车辆遭遇意外事故的外部冲击等。动力电池的线缆、带电体、保护线路等需要可靠连接,尤其要避免不同材料连接处发生的电化学腐蚀,造成电击、起火等风险。市场上有许多整车起火案例或者电池产品的起火案例和电气连接松脱有关,因此需要引起高度重视。

随着新能源汽车普及程度的快速提升,消费者对于其安全性的关注程度也会不断提升。作为新能源汽车的主要零部件系统和安全性风险较高的子系统,锂离子电池的安全性提升需要企业、研究机构、政府、消费者保护机构等多方面的共同努力。

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