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“锂离子电池热失控一旦发生,很难终止其反应,可在热失控发生初期进行阶段性预警。”中国科学技术大学教授汪箭在电动汽车资源网举办的“2018第二届中国新能源汽车测试评价技术发展高峰论坛”上如是说。会上,他分析了新能源汽车动力电池火灾成因,并提出防护措施。
锂离子电池热失控事故原因分析
近年来,锂离子电池热失控引发的安全事故不在少数,其中波音787飞机、特斯拉电动汽车、三星Note7手机等事故的影响尤为广泛。
中国科学技术大学教授汪箭
根据不完全统计,近年来特斯拉在全球各地发生了多起车辆起火事故,.包括碰撞后起火、充电过热起火、行驶自燃等。特斯拉锂离子电池组横跨车辆基座,一旦热失控发生,会波及全车,特斯拉通过在底盘加装钛合金防护罩等措施来提高车辆的安全性。
另外像三星Note7事件,主要是电池缺陷造成内部短路引发爆炸,而波音787飞机也发生过因为电池内短路,过热导致起火。
汪箭表示,锂离子电池事故的主要原因是热失控导致的火灾和爆炸,表现形式为喷射、燃烧、爆炸,伴随有毒有害气体。他表示,目前缺乏对锂离子电池有效的灭火技术,从锂离子电池本身的属性看,即使短暂扑灭,其复燃性也非常高。所以锂离子电池一旦发生热失控,想要防控是比较难的。因此,分析锂离子电池热失控发展过程,研究电池内部可燃组件热安全性,提出预警、防护、抑制措施,对热失控灾害的防控具有重要意义。
锂离子电池热失控与大气压强、电池数量、过充条件的关系研究
汪箭表示,热失控发展有多个阶段,热失控一旦发生,通常被认为是不可逆的。研究表明,海拔高度对锂离子电池热失控会有显著影响,高海拔环境下,同等受热条件下,其热失控发生时间相对于低海拔环境下会提前。也就是说,从人员安全的角度看,如果制定标准需要考虑高海拔条件,否则一旦电池发生热失控,可能对高海拔环境下人员的逃生有不利影响。
通过研究电池组热失控行为,监测点火时间、质量损失、热释放速率和火焰温度等参数的变化情况发现,质量损失与电池数量之间存在线性关系,而电池组的热释放量与电池数目之间是指数增长关系。
过充条件下三元镍锰钴NMC电池与磷酸铁锂LFP电池的热失控实验(充电截止电压分别为:4.2V、4.5V、4.8V、5.0V)结果表明,过充加剧热失控危险性。
汪箭对以上研究进行了简单小结。他表示,锂电池热失控现象可分为几个阶段,尽管热失控难以避免,但利用不同阶段的特征可对热失控现象进行阶段性预警。
锂离子电池可燃组件热安全性研究
汪箭还列举了电池内部可燃组件如隔膜、电解液和电解液与电极材料混合体系的热安全性研究结果。电解液燃烧特性的研究结果表明,电解液的质量损失速率均值和峰值都与压力呈正指数关系;正极材料与电解液体系的研究表明,镍含量高的正极材料会促进氧气生成并降低电池的热安全性,且截止电压越高,电池反应活性越大,然而,电解液添加剂对电池安全性的影响不明显。
动力电池火灾防护措施——冷却作用、隔热作用、窒息作用
汪箭表示,通常的灭火手段主要为冷却、隔热、窒息和终止化学反应。
冷却:电动汽车冷却系统通常是为了维持稳定的动力电池工作环境。希望利用电池管理系统进行实时监控,在热失控发展初始阶段,利用冷却系统对动力电池工作环境进行速冷降温,以控制热失控传播速度。
隔热作用:应用耐火阻燃隔热涂层,即可以提高电池组抵抗外部火焰的能力,也能在电池发生燃烧时延缓火势蔓延。如波音787飞机的电池组8个单元之间,加上隔热层,限制热失控的传播。
窒息作用:再以波音事件为例,波音787飞机的电池放进更坚固的钢质箱子里,起到隔绝外部氧气和限制火势蔓延的作用。
汪箭最后总结道,锂离子电池热失控一旦发生,很难终止其反应,可在热失控发生初期进行阶段性预警,可以采取不同防护手段抑制热失控的传播,如强化电池冷却系统、覆盖隔热层、隔绝空气窒息作用等。同时通过对隔膜、电解液、电极材料等可燃组件进行改性,也可抑制热失控过程中的链反应,提高锂离子电池的安全水平。
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