隨著鋰電池的大規(guī)模普及應(yīng)用，世界范圍內(nèi)有一些新能源汽車和儲能電站的電池在正常使用情況下突然自燃，這些電池的歷史運行數(shù)據(jù)往往顯示事故發(fā)生前并無異常。目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對電池突然自燃的形成原因和預(yù)警方法都還存在很多困惑。清華大學(xué)歐陽明高院士團隊和蜂巢能源科技股份有限公司合作，揭示了電池突然自燃的形成原因和演化機制，復(fù)現(xiàn)了電池在正常使用情況下的突然自燃，并提出了對應(yīng)的安全預(yù)警和防控方法，該成果在國際交通電動化雜志eTransportation上發(fā)表，并獲得2項國家發(fā)明專利授權(quán)。

1.背景介紹

鋰電池不僅被廣泛應(yīng)用于消費類電子產(chǎn)品，也成為了目前交通電氣化和儲能電站等大規(guī)模儲能領(lǐng)域中的重要儲能載體。但近年來國內(nèi)外也發(fā)生了很多鋰電池導(dǎo)致的安全和自燃事故，相當(dāng)一部分還是在擱置階段和正常充電過程中。2020年八月，國家市場監(jiān)督管理總局對65起新能源汽車火災(zāi)事故調(diào)查結(jié)果顯示動力鋰電池故障是火災(zāi)事故的重要原因，占比達(dá)77%。

目前的新能源汽車和儲能電站一般會配有電池管理系統(tǒng)(BMS)和大數(shù)據(jù)云平臺進(jìn)行監(jiān)管和安全預(yù)警，通過對非濫用情況下（無過充、過放、加熱、碰撞、擠壓、泡水、外短等情況）的事故電池歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有些電池起火事故發(fā)生前沒有任何征兆（電壓、溫度、SOC、容量、一致性等表現(xiàn)正常），往往在數(shù)秒內(nèi)就發(fā)生了熱失控或起火，即突然自燃，也被稱為"突然死亡型熱失控"、"猝死型熱失控"和"突發(fā)型熱失控"，嚴(yán)重危害人民生命財產(chǎn)安全和新能源行業(yè)健康發(fā)展。目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對電池突然自燃的形成原因和預(yù)警方法都還存在很多困惑。

2.電池突然自燃原因、復(fù)現(xiàn)和預(yù)警

清華大學(xué)歐陽明高院士團隊和蜂巢能源科技股份有限公司多部門合作，從電池全生命周期管理角度出發(fā)，對涉及電池安全的各個生產(chǎn)工序和使用環(huán)節(jié)進(jìn)行全面剖析和研究，重點就可能造成電池突然自燃的顆粒雜質(zhì)異物缺陷問題（焊渣、粉塵、顆粒雜質(zhì)等，粒徑一般在幾十到幾百微米級別）展開了研究。為了研究成果能夠指導(dǎo)產(chǎn)業(yè)實際，該項研究并不是在傳統(tǒng)實驗室中進(jìn)行，而是選擇了在電池試制線上，并且是大容量動力鋰電池，而不是實驗室中常用的微型電池。如圖1所示，在電池試制線上的一個裝配工序，人為故意在一些電池半成品中分別植入不同粒徑的異物后，重新投入試制線，并監(jiān)控這些人為制作的異物缺陷電池在試制線后續(xù)的所有數(shù)據(jù)和狀態(tài)變化。通過對出現(xiàn)異常情況的電池拆解，揭示了不同粒徑大小異物對電池的影響情況和規(guī)律。

圖1異物缺陷電池制作過程

將在試制線上人為制作的缺陷電池進(jìn)行了常規(guī)老化循環(huán)充放電測試實驗，測試過程中無任何熱濫用、機械濫用、電濫用等操作，其中一個異物缺陷電池（電池A）在前11圈的循環(huán)中數(shù)據(jù)無異常，但在第12圈的恒流充電階段發(fā)生了突然自燃。如圖2所示，根據(jù)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，根據(jù)基于傳統(tǒng)一致性(單體間電壓差異、溫度差異、SOC差異等)的診斷算法無法實現(xiàn)早期預(yù)警，作者提出了一種面向電池全生命周期的安全預(yù)警方法，不受單體間不一致性的影響，根據(jù)該次實驗結(jié)果表明可實現(xiàn)提前4分鐘的預(yù)警。

圖2恒流階段突然自燃電池數(shù)據(jù)分析

3.電池內(nèi)短路熔斷現(xiàn)象、復(fù)現(xiàn)和預(yù)警

在另一個缺陷電池（電池B）的常規(guī)老化循環(huán)實驗過程中，數(shù)據(jù)顯示電池在一次恒壓充電過程中出現(xiàn)了電流很快上升又很快恢復(fù)的現(xiàn)象，為了確定電池內(nèi)部情況，作者對電池進(jìn)行了CT觀測和拆解分析，從而揭示了電池內(nèi)短路熔斷現(xiàn)象，如圖3所示，即異物受極片膨脹刺破隔離膜和絕緣膜后，引發(fā)了鋁殼和最外側(cè)負(fù)極片的短路（電池四種內(nèi)短路類型中最為嚴(yán)重的短路類型），短路電流造成電池局部溫升，高溫使得絕緣膜熔化和內(nèi)短路回路熔斷，電池又恢復(fù)了正常的現(xiàn)象。

圖3電池內(nèi)短路熔斷現(xiàn)象

此外還發(fā)現(xiàn)有一個缺陷電池（電池C）在循環(huán)到第309圈時發(fā)生了內(nèi)短路熔斷現(xiàn)象，作者為了研究內(nèi)短路熔斷電池的安全性，讓其繼續(xù)循環(huán)，該電池在第417圈時發(fā)生了突發(fā)自燃，這說明發(fā)生過內(nèi)短路熔斷的電池依然具有再次內(nèi)短路的風(fēng)險，作者也提出了電池內(nèi)短路熔斷故障篩查和預(yù)警的方法，并建議有關(guān)已經(jīng)發(fā)生過內(nèi)短路熔斷的電池要進(jìn)行報廢處理。

圖4電池內(nèi)短路熔斷后再次發(fā)生熱失控的數(shù)據(jù)情況

圖5電池發(fā)生突然自燃后的殘骸

4.總結(jié)

不同于以往用針刺、擠壓、過充、外短、泡水、外部加熱等濫用行為觸發(fā)的電池?zé)崾Э兀膊煌谕ㄟ^在電池內(nèi)部植入記憶合金、低熔點合金、石蠟等物質(zhì)（這些物質(zhì)不可能在電池實際生產(chǎn)制造過程中被混入）觸發(fā)的電池?zé)崾Э兀髡呤状螐?fù)現(xiàn)了電池在正常使用情況下自引發(fā)的突發(fā)型熱失控，更加接近于實際生活中出現(xiàn)的電池突然自燃。另外，還復(fù)現(xiàn)了電池在正常使用情況下自引發(fā)的內(nèi)短路熔斷現(xiàn)象。這項研究證明了電池內(nèi)部特殊位置的顆粒雜質(zhì)異物缺陷是引發(fā)電池突然自燃的罪魁禍?zhǔn)祝沂玖水愇锶毕菀l(fā)電池內(nèi)短路和熱失控的演化過程和影響規(guī)律，提出了突然自燃的預(yù)警方法和防控方法。

該研究工作是清華大學(xué)歐陽明高院士團隊和蜂巢能源科技股份有限公司合作完成，研究成果獲得2項國家發(fā)明專利授權(quán)，在國際交通電動化雜志eTransportation上發(fā)表，雙方從材料、單體設(shè)計、產(chǎn)品質(zhì)量控制、安全預(yù)警、熱管理等方面提出了針對電池突然自燃防控的電池全生命周期整體解決方法，并在蜂巢能源電池產(chǎn)品上得到應(yīng)用，全方位保障電池安全。