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如何防止你的電動車自燃?現在電動車的電池安全嗎?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年05月15日  

生活離不開鋰電池,但鋰電池也可能毀了你的生活。

一臺電池容量3500mAh的手機或許只能炸傷你的手,但試想把7000多臺手機裝進一輛電動車里。

駕駛時還要面對頻繁的震動顛簸和風霜雨雪,在如此嚴苛的條件下,怎樣才能防止你的電動車像手機那樣自殺式爆炸?

鋰電池,準確的說是鋰離子電池,由正極、負極、電解質和隔膜組成。

放電時,鋰會從負極脫嵌變為離子,并放出電子,接著鋰離子將進入電解質,通過一層有微孔的隔膜再嵌入正極,而充電時則相反。

實際應用時,電池的正極、隔膜、負極往往緊貼在一起,隔膜只允許鋰離子通過,避免了正負極直接接觸。

然而當遇到高溫、穿刺使隔膜熔化、破裂,就會直接連通正負極造成大面積短路,不斷積累熱量。

根據HosseinMaleki等人的實驗,當電池達到167℃時,反應會突然加劇、電解液迅速分解燃燒,溫度攀升,這被稱為熱失控。

鋰離子電池的負極普遍是石墨,所以正極使用何種材料就決定了電池的能量密度,也影響了熱失控的程度。

在這五種正極材料中,鈷酸鋰雖然能量密度最高,但熱失控也最迅猛;錳酸鋰和磷酸鐵鋰雖然很安全,但能量密度實在太低。

在今天這兩種主流的三元材料中,NCM鎳鈷錳酸鋰相比NCA鎳鈷鋁酸鋰,發生熱失控的閾值更高,且升溫速率更緩和,相對也更安全。

當然,熱失控會由多種意外情況引發。

比如電池管理系統故障引起電池過充或過放,劇烈撞擊導致電池模塊變形,涉水行駛時積水倒灌引發短路等,所以汽車電池必須經過更嚴格復雜的安全測試。

根據2015年的這兩項國家標準,單體蓄電池及蓄電池模塊的安全測試共有10項,蓄電池包或系統則有16項。

其中,溫度沖擊和針刺這兩項的通過難度最大。

溫度沖擊試驗要把充滿電的電池放入溫度箱中,從25℃降到-40℃,接著升高至85℃,再恢復到25℃,循環5次,每次8小時。最終觀察1小時后仍能正常工作才算通過。

通過這項測試的關鍵在于隔膜。

傳統的隔膜材料通常是單一的PE聚乙烯或PP聚丙烯。

以PE為例,當電池內部溫度達到125℃時,隔膜就會開始熔化,到130℃時,隔膜的微孔結構將熔化關閉,阻止鋰離子通過進而阻斷電流。但這時溫度只要再升高一點,隔膜就會徹底破裂,引發熱失控。

而更先進的隔膜會采用PP-PE-PP三層復合材料。PE的熔點比PP低,會先開始熔化、阻斷電流,即便PE達到破裂溫度,外層的PP依然能保持隔膜的完整性,繼續阻斷電流。

相比溫度沖擊,針刺試驗要更暴力,用直徑5~8mm,針尖圓錐角度45~60度的耐高溫鋼針以80mm/s的速度貫穿電池的幾何中心并停留在電池中,觀察1小時后沒有起火爆炸才算通過。

由于針刺直接破壞了隔膜結構,造成短路,極容易引發電解質燃燒。

鋰離子電池的電解質中通常含有碳酸酯。

碳酸酯在高溫下會分解產生氫氣和氫自由基,氫自由基將和氧氣反應生成羥自由基和氧自由基,而氧自由基又會和氫氣反應產生更多的氫自由基,如此循環,不斷燃燒。

要想打破這個惡性循環,可以往電解質里添加磷酸酯類阻燃劑,磷酸酯受熱時分解產生的磷自由基可以優先捕獲氫自由基,抑制燃燒反應,從而阻燃。

針刺試驗對電池的可靠性、穩定性要求極高,且在一些國家也并非強制法規,只有少數真正實力過硬的電池生產商才愿意堅持針刺試驗。

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