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锂电池本体的燃烧机理及解决方案的先容

来源:锂电池厂家?编辑:admin??发布时间:2020-04-10 16:52:49??阅读数:

锂离子电池出现的着火安全事故,主要是新能源电动车不规范的应用,造成充电电池化学能量瞬间转变成热能,造成充电电池內部热失控和热失控外扩散,使锂电池电解液的溶剂在大量热的作用下溶解并挥发,可形成易燃性性混合物,遇火源造成整车燃烧发生爆炸。

热失控(Thermalrunaway)指的是因为锂离子液态充电电池在外界高溫、內部短路故障,电池包渗水或是充电电池在大电流充放电各种外界和內部诱因的作用下,造成充电电池內部的正、负极自身起热,或是直接短路故障,促发“热引发”,热量不能外扩散,溫度逐渐上升,充电电池中负极表面的SEI(SolidElectrolyteInterface)膜、锂电池电解液、正负极等在高溫下出现一系列热失控反应(热分解)。直至某一溫度点,溫度和內部压力骤然增加,充电电池的能量在瞬间转变成热能,形成单个充电电池燃烧或发生爆炸。

造成单个充电电池热失控的因素很多、很繁杂,但电流过大或溫度过高造成的热失控居多,接下来主要先容这类热失控的机理。以锂离子电池为例,溫度达到90℃时,负极表面SEI膜开始溶解。溫度再度上升后,正负极之间的隔膜(PP或PE)遇高溫收缩溶解,正、负极直接接触,短路故障造成大量的热量和火花,造成溫度更进一步上升。

热失控时,230℃~250℃的高溫造成锂电池电解液基本上完全挥发、溶解了。它含有大量易燃性、易爆的溶剂,逐渐受到热失控的影响,最后溶解出现燃烧,是热失控的主要缘故。锂电池电解液在燃烧同时,形成一氧化碳等有害气体,也是重大的安全风险。锂电池电解液如果泄露,在外界空气中形成比重较大的蒸气,非常容易在较低位置大范围外扩散,这类外扩散范围极易遇火源造成安全事故。

在常规的充、放电过程中,正极脱出微量的游离氧与碳负极反应也会形成小量的易燃气体CO,在正常温度时它们不易助燃。正极氧化物因为短路故障造成的高溫下会出现分解反应,会形成游离状态氧。这一些游离氧和CO在高溫下会与锂电池电解液蒸气一起出现燃烧,形成两极化。

清华的科学研究显示:正极中含镍越多则热稳定性越差,炭素材料的负极在寿命的前期较稳定,但是寿命衰减后变差。这从侧边表明三元锂电池的高镍占比,尽管容量更大,但会造成更大的热失控风险。

热失控外扩散指的是在电池包內部,个别充电电池热失控后,热量通过热传导和对流、辐射的方式快速向四周充电电池外扩散,此刻散热装置不能排出热量,热失控拓展到四周充电电池,造成蝴蝶效应,充电电池外表温度达到650~1000℃,使电池包更进一步燃烧。此刻电池包泄压阀门打开,燃烧的火焰和烟雾扩散到电池包外部,这时在车外将会看见烟雾,更进一步点燃车子上锂电池周围的易燃物,最后导致全车着火的现象。

从以上分析能够看得出,锂电池內部就具备燃烧3要素,即易燃物、氧气和火源。发生燃烧时,一般 可选用喷水救火,也可以选用干粉灭火器、二氧化碳灭火器救火,沙土也是安全的救火工具,最好用的灭火剂还是大量的水,它能够快速给电池包降温。

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车子使用过程中,因各类原因,电池包将会产生电解液泄露,泄露早期未必有热失控产生,不容易察觉。电解液非常容易挥发,还有腐蚀性,与空气混和后生成有害、刺激性气体,对空气和水造成严重污染,对人体器官会造成伤害,长期性接触易造成头疼、头昏、身体虚弱、恶心等。

现阶段,锂电池厂商和有关研究组织正在设法从锂电池內部找出清除以上各类风险的措施,研发高稳定性的锂电池材料,从源头上避免热失控产生。这些研究方向包含电解液改进、正极材料改进、隔膜改进、表层包覆、泄压阀及热敏电阻(PTC)和加工工艺改进。

电极形状改进的关键技术措施是叠片工艺,这种生产工艺对减少热失控具备一定的作用。现阶段锂电池正极以整体卷绕工艺为主,电极极片在卷绕转角处有内应力,在使用一阵子以后内应力会造成极片产生破裂,非常容易造成热失控。而叠片工艺因为生产工艺效率不高,远不及卷绕工艺运用广泛,但极片一片片的叠加,它沒有转角处应力问题,热失控的诱因减少了。

智能隔膜技术针对控制锂电池內部温度具备一定的作用。选用美国Celgard企业的3层智能复合膜,在温度120℃时,上、下层PE膜里边的微孔闭合,减缓锂离子通过,电流减少温度便会降低。温度135℃时,中间层PP膜里边的微孔闭合,锂离子不能通过隔膜,沒有电流通过,隔膜温度便会降低。

锂电池盖安全技术情况针对避免燃烧是关键。在锂电池盖的表层增加刻痕,当內部热失控气体压力达到一定程度时,气体在刻痕处冲破锂电池盖,从此处排放出来。市场新出现的电池包CTP(CellToPack)技术,它取消了锂电池组框架,构造更加简化,可是针对锂电池的一致性要求更高。此外,锂电池生产现场的杂质也会进入锂电池內部,造成短路,随时将会诱发热失控,因此必须做好生产现场的清洁工作。

当产生热失控及拓展时,尽可能减少事故的危害性,除BMS安全管理之外,还有电池包安全构造技术,以及主动安全技术。构造安全设计包含锂电池內部结构优化、热传播阻断设计(阻燃复合材料的使用),排放阀的排泄通道设计(目前国内市场上主要是EPV(ExplosionProofValve)防爆阀,不能彻底隔离水汽进入电池包)、PTC及熔断器设计等。

电池包內部布局时,必需进行电气布局优化设计,降低插接件的数量和不科学的线束走向,让总体的布局更加紧凑。电气设计时要对最小电气间隙及爬电距离进行优化,采用分布式电池外短路保护设计,多维模组热扩展结构防护透气防爆装置。常用的热传播阻断技术有模组间的隔热设计,在模组之间增加隔热零件,目前特斯拉汽车采用电池组之间增加云母片进行隔火。

增加电路熔断保护设计。为防止主回路过载发热和短路危险,在产品设计中采用了在主回路中安置主熔断器、主继电器、模组过流保护、电池过流保护和过流分级防护技术。为防止因电池包浸水和采集回路(对每一个单体电池或电池组的电压进行检测的低压电路)导线及连接器失效,造成的短路对电压采集回路有伤害,在电压采集线电源端设置采集线路过流防护熔断器,对系统内所有电压采集回路进行保护[17]。

目前电池厂商多数通过监控电压来判定电池热失控,有的厂商也通过温度来判断。但目前多数厂商趋向于在电池包内安装专用的压力传感器模块,单个或多个电池向外热失控时向外排放气体后,电池包内压力达到设定值时BMS系统综合判定后开始报警。压力传感器模块可以在停车后一段时间内处于待机状态,继续检测压力,如果压力超标就会通知BMS系统启动,开始监测工作。

采用主动安全技术的防爆设计。若电池发生机械碰撞及过充电的滥用情况(后面对7大类滥用原因有详细先容),电池內部发生热失控时,大量高压气体封闭在电池內部,电池布局时设法让电池向指定的安全方向排放气体,杜绝了危险的进一步扩大。

采用主动安全技术的主动灭火装置。火灾探测装置决定灭火装置能否适时启动、及时灭火、主动喷射惰性气体或制冷剂来冷却电池,目前主要在大型客车及公交车上推广,在小型电动乘用车上还没有应用。热管理控制技术,可以防止预防热失控的发生,在热失控初期减缓它,抑制热失控扩展。

热管理控制技术属于BMS功能的一部分,它可以通过对每一单体电池组实施监控,若发现单体电池温度过高,则实时反馈,并及时切断该电池的外部电路、启动电池组冷却系统和灭火系统。热管理技术可以尽量使各电池组在最佳的温度范围内工作,防止热失控发生和扩展、及时发出电压和温度监测报警等。

BMS在充电过程中,根据每台车辆上电池状态的变化情况自动给出最好的电池充电方案,并将信息反馈给汽车充电桩,实行最好的电池充电方案。尽管在电池生产商在组装时,会对电池按照差异最小化的基本原则进行电池分组,但随着车辆使用时间增长个体电池的性能会逐渐出现差异,BMS的电池充电策略对于实行个体电池精确的控制越来越艰难,很有可能会造成电池过度充电。

从BMS角度看来,热失控产生之后,它无法消除这个风险性,但要求它起码能提前5min发出警报,给乘客的逃生赢得时间。优良的BMS在热失控的前面阶段把内部短路风险识别出来,起码提前15min报警,给乘员发出报警并全车自动断电,让乘员安全离开。

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