我國已經(jīng)將發(fā)展高能量密度的鋰離子電池作為國家策略，十一五重點(diǎn)發(fā)展了磷酸鐵鋰正極鋰離子電池，十二五重點(diǎn)發(fā)展了三元正極鋰離子電池，十三五正在重點(diǎn)研發(fā)高鎳三元正極+硅碳負(fù)極鋰離子電池，高能量密度材料的應(yīng)用在提高電芯能量密度的同時(shí)，也降低了電芯自身的熱穩(wěn)定性，使之更易導(dǎo)致安全問題，比如熱失控，外界表現(xiàn)就是冒煙、起火和爆炸。常見導(dǎo)致電芯熱失控的濫用情況有機(jī)械濫用、電氣濫用和熱濫用。這幾種觸發(fā)方式應(yīng)該比較容易理解，但關(guān)于它們觸發(fā)熱失控的機(jī)理以及在熱失控過程中的關(guān)鍵性特點(diǎn)，你了解多少呢？今天，本文帶大家梳理從濫用情況到電芯熱失控的關(guān)鍵過程。

圖1純電動(dòng)汽車用鋰離子電池發(fā)展路線圖

電芯的濫用情況可進(jìn)一步細(xì)分，機(jī)械濫用分為擠壓和針刺，電氣濫用分為過充和過放，熱濫用的特點(diǎn)在于外部高溫，三種濫用之間即相互獨(dú)立又緊密相連，機(jī)械濫用可以觸發(fā)短路，這是電氣濫用的一個(gè)常見特點(diǎn)，而短路釋放熱量，引發(fā)熱濫用狀態(tài)。在熱濫用條件下，電池被加熱到極端溫度，然后發(fā)生熱失控。

一、鋰離子電池的機(jī)械濫用擠壓和針刺

在汽車碰撞的過程中，電池組發(fā)生變形，電芯相互擠壓致隔膜破裂，內(nèi)部短路發(fā)生，電池的電能將在短時(shí)間內(nèi)持續(xù)釋放，電池的溫度通過吸收短路出現(xiàn)的熱量而上升，溫度上升直到電池能量完全釋放完停止，過高的溫度極易點(diǎn)燃泄露的可燃電解液，發(fā)生起火和爆炸，與擠壓相比，針刺也可能源于車輛的碰撞，但在針刺開始的時(shí)刻就可以瞬間觸發(fā)鋰離子電池的內(nèi)短路，當(dāng)電池溫度達(dá)到閾值時(shí)（120℃），電池發(fā)生副反應(yīng)溫度進(jìn)一步加速上升發(fā)生熱失控。

二、鋰離子電池的電氣濫用過充和過放

圖3鋰離子電池過充電內(nèi)部短路機(jī)理

過度充電導(dǎo)致的熱失控比其他的濫用情況更加苛刻。電池管理系統(tǒng)(BMS)在上電壓限制前停止充電過程的失敗是造成過度充電的常見原因。電池內(nèi)部的不一致決定了電壓最高的電池是第一個(gè)被過充電的電池，其次是其他電池。在過充電過程中石墨陽極充滿嵌鋰之后，金屬鋰開始沉積在陽極表面形成鋰枝晶，而隨著金屬鋰的不斷沉積，鋰枝晶在塌陷中不斷生長，最終刺穿隔膜發(fā)生內(nèi)短路，電芯熱失控。

圖4過放條件下銅的溶解和沉積導(dǎo)致內(nèi)短路的機(jī)理

過度放電是另一種可能的濫用電氣的情況。一般來說，電池組內(nèi)的電壓不一致是不可防止的。因此，一旦BMS沒能監(jiān)測任何單個(gè)電芯的電壓，最低電壓的電池就會(huì)被過度放電。在過放電過程中陽極的形態(tài)發(fā)生了變化，過度放電導(dǎo)致了銅集流體的溶解。溶解的銅遷移并沉積在陽極表面，最終導(dǎo)致內(nèi)短路和容量降低。

三、鋰離子電池的熱濫用

圖5內(nèi)短路造成熱失控

在電池組中，局部過熱是可能發(fā)生的典型的熱濫用狀態(tài)。除了由機(jī)械/電氣引起的過熱現(xiàn)象外，過熱也可能是由于電芯連接器的接觸造成的。電芯的隔膜是一層塑料材料，材質(zhì)重要為PE和PP，它把電池的正負(fù)極隔開，只允許電解液中的鋰離子通過。當(dāng)電芯處于高溫環(huán)境中時(shí)，溫度經(jīng)外殼傳導(dǎo)至隔膜，隔膜受熱收縮和破裂，電池正負(fù)極內(nèi)短路，從而發(fā)生熱失控。

電池的濫用情況各種各樣，各個(gè)濫用情況造成的熱失控機(jī)理各有不同，但是它們都有一個(gè)顯著的特點(diǎn)那就是內(nèi)短路，內(nèi)短路的發(fā)生使電池自身的電能在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換為熱量，促使電池溫度急劇升高，達(dá)到電池內(nèi)部副反應(yīng)的起始溫度，從而發(fā)生熱失控，電池內(nèi)短路的精確預(yù)測將會(huì)是以后電池?zé)崾Э氐目刂埔约邦A(yù)測的關(guān)鍵點(diǎn)。