動力電池安全事故原因分析

• 陳博 2023年10月20日 來源：中研網 1067 68
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從觸發機制上看，內部短路有三類不同的類型，第一類是自引發內短路，第二類是由于過充電/過放電引發的內短路，第三類則是由于機械破壞引發的內短路。自引發內短路潛伏性強、作用時間長。自引發內短路主要是由于電池內部原因所導致，包括正極材料摻雜，隔膜材質不佳，銅

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電動汽車起火事故具有易觸發、多誘因、潛伏性強的特點，不經意的小事件可能引發慘重的后果，起火過程有時是迅速的，也可能會在誘因發生的數個小時之后才突然起火。

鋰離子電池從其自身的化學特性和體系組成上，決定了其是一種具有潛在危險的化學電源。電動汽車起火事故最主要的三大起因是電池的自燃、充電和汽車碰撞，而這些起因所對應的內部機理是電池的內部短路、外部短路與過充電等故障及其進一步引發的熱失控。熱失控的觸發誘因復雜，已有許多學者開展了相關研究，但目前其機理仍未徹底明晰。

現有文獻普遍認為引發電池熱失控的主要故障形式概括為四類，即：內部短路、外部短路、過充電與過放電。其中，內部短路引起了電池的自燃，充電時電池起火的原因主要是過充電，而持續的過充電或過放電會引起電池的內部短路，汽車碰撞中起火事故同時對應著電池的內部、外部短路，而設備、線纜的老化、電池箱浸水等引發起火的本質則是外部短路。電池的內部短路、外部短路和過充電都會大量產熱導致電池熱失控、引發火災。

事故濫用一般分為機械濫用、電濫用和熱濫用三類。可追溯的機械濫用和電濫用情形較多，熱濫用直接引發熱失控，事故中伴隨有冒煙、起火和爆炸。

從電池失效的機理來看，深層次地科學問題是電化學動力系統的失效。電化學濫用是濫用機理層面的問題，需要加以重視。對電化學濫用機理的深入認識，有助于1)對已發事故現象的合理解釋;2)提高測試評價標準的權威性和預見性。

在電池失控的主要觸發條件當中，短路占絕大多數(>90%);隨著電池比能量的提升，以及對材料利用效率的壓榨，析鋰問題逐漸顯現;高鎳正極可能降低高溫釋放活性氧的溫度，不過目前還未見事故報道。

1、內部短路故障機理

從觸發機制上看，內部短路有三類不同的類型，第一類是自引發內短路，第二類是由于過充電/過放電引發的內短路，第三類則是由于機械破壞引發的內短路。自引發內短路潛伏性強、作用時間長。自引發內短路主要是由于電池內部原因所導致，包括正極材料摻雜，隔膜材質不佳，銅箔鋁箔分切毛刺，疊片、卷繞錯位，以及電解液浸潤不均等。自引發內短路潛伏性強、作用時間長;過充電/過放電時會在電極形成許多針狀晶枝，這些針狀晶枝會刺破電池隔膜，造成多個微小的短路回路，并持續放熱，需要注意的是，過充引發的內短路也并不一定立刻觸發熱失控，有可能這個過程的溫升還不足以達到熱失控臨界閾值，在車輛駛離充電站之后，由于內短路的持續運作，電池溫度繼續攀升而達到失控溫度引發車輛起火。機械破壞引發內短路是汽車碰撞時電池被擠壓/穿刺而引發，這類情況難以預測，只能通過恰當的應對措施來降低危害。

2、過充電故障機理

關于電池過充電的故障機理目前已有較為成熟的研究，當電池發生過充電時，由于負極的儲存格已裝滿，后續的鋰離子會堆積于負極材料表面形成金屬鋰，并由負極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結晶，形成的金屬鋰結晶會穿破隔膜使正負極短路從而引發短路。實際情況下，車載電池管理系統(Battery management system,BMS)會對電池過充電進行有效監管，然而電池組是由諸多單體電池組合而成，由于各電池單體之間存在不一致性，因此雖然整個電池組狀態完好，但難以避免某單一個體發生過充，另一方面，不恰當的充電方式也增加了過充的可能性，過大的充電電流、極片涂層分布不均等現象也可能會引起局部過充電。

3、過放電故障機理

電池發生過放電時首要的表現是活性物質結構被破壞，將對鋰電池的正負極造成永久的損壞。從分子層面看，過放電導致負極碳過度釋放出鋰離子而使得其片層結構出現塌陷，最直觀的損傷效果是嚴重影響電池的循環壽命。但是持續的過放電過程會導致電池負極電位不斷升高，當負極電位達到銅箔集流體溶解電位時，發生銅箔溶解的電化學反應，溶解的銅離子穿過隔膜到達電池正極，在低電勢區域被還原為金屬銅，逐漸沉積的金屬銅從正極方向生長并最終穿過隔膜、引發電池內部短路。

4、外部短路故障機理

電池外部短路時電池會產生很大的電流，大量的歐姆熱并使電池內部及表面連接處急速升溫，如果防護器件未能切斷會亂，電池內部會很快升溫造成電解液汽化，可能會造成電池鼓包或者沖開泄氣閥，漏液并噴射出可燃氣體。外部短路可能會產生明火(電弧)，是非常危險的故障形式。盡管外部短路故障的觸發機理較為簡單，但是其復雜不確定性后果和影響不容忽視。尤其當外部短路與其他故障并發時，當電池發生外部短路時，很容易導致電池直接起火甚至爆炸。

5、熱失控觸發機理

根據現有文獻，當電池溫度達到80～120℃時，覆蓋在電池負極表面的SEI膜發生分解，隨后負極活性物質失去保護，嵌入負極的鋰金屬與電解液發生反應。溫度繼續上升會引發電池多孔隔膜閉孔，常見的隔膜材料有聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)兩類，其隔膜閉孔的起始溫度約為130℃和170℃，隔膜閉孔會阻斷外部短路的電流回路，起到一定的自保護作用，但如果溫度繼續上升，隔膜會在190℃左右解體，引發內部短路，釋放大量的電能使溫度迅速升高，進而引發正極分解與電解質分解反應，正極分解會釋放大量的熱量，被認為是觸發熱失控的重要原因之一。需要注意的是，為理想加熱情況下的純理論結論，實際情況下由于存在電池短路所產生的歐姆熱以及復雜塑性破壞引發的不確定性因素，熱失控觸發過程會更為復雜。

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