(文章來源:汽車總站)
鋰離子電池的電動汽車起火原因非常復雜,只能根據市場上已經起火的車輛進行分析,發現觸發熱失控的誘因分為以下7大類,這些誘因直接或間接觸發了毒氣外泄或電池的熱失控和熱擴散,最終導致整車火災。鋰離子電池的電流異常使用包括過充電、過放電、大電流使用、外部電路短路、低溫環境充電和高溫環境用電,它們使電池正負極、電解液異常發熱導致“熱引發”,進一步發生熱失控反應。
車輛頻繁急加速急減速:在大電流充放電時由于內電阻的存在,或者外部電路短路,都將引起正負極迅速發熱,這些熱量就發生電池燃燒的誘因。為此車輛在使用過程中要避免頻繁急加速或急減速,它會導致電池輸出或輸入大電流。
過充電:電池充滿之后,在負極端的鋰原子會達到飽和狀態。繼續充電時導致正極材料損失太多鋰原子,層狀晶格結構的突然各向異性收縮高達5%(即“晶格坍塌”),電池容量永久性降低。負極上鑲嵌滿鋰離子之后,過充電時多余鋰離子在表面繼續沉積,形成樹枝狀結晶,即鋰枝晶。繼續充電,鋰枝晶最后會擊穿隔膜,發生短路,見圖4中黃色部分。GB/T 31485—2015對過充電有明確的要求,即充電至額定電壓的1.5倍,或電池充滿電后繼續充電1 h,要求電池1 h內不爆炸、不起火。
過放電:過放電時,過多的鋰離子從負極通過電解液和隔膜轉移到正極,負極石墨電極的層狀結構失去了支撐坍塌,再充電時不能再鑲嵌進鋰離子,造成電池容量永久性下降。放電時負極表面形成銅結晶,過放電時石墨表面覆蓋銅枝晶,它也可以刺穿隔膜。由于各電池的容量有差異,電池組中容量較小的電池在過放電的時候會出現正負極顛倒,觸發熱失控。
鋰離子電池內部故障:生產制造過程中電解液分布不均勻、電極上毛刺、材料中金屬雜質、隔膜破損或表面粉塵物理因素,都可能會引起電池內部短路,它們大部分可以在初期檢驗中可以檢查出來,但一些隱形的缺陷會在后期車輛使用過程中慢慢表現出來。
整車上與電池相連的高壓電路中,各種線束和電器元件、插頭部件失效,都可能導致電池熱失控。車輛使用過程中,插接件的端子因為浸水、松動、老化等原因造成接觸不良,或者由于車輛上其它電器的故障,導致電池包外部電路短路,如果熔斷機制未發揮作用,大電流急劇放電會誘發電池包的熱失控。
車主私自進行改裝電路,使整車用電負荷增加,改裝的電線搭接處容易接觸不良也容易誘發電路短路、發熱,如果導致高壓電路異常,容易引發電池包的熱失控。
電動汽車在行駛中可能與其它車輛發生碰撞,如果放置鋰離子電池的區域發生變形,電池包殼體可能變破裂,引起包內電池也相互擠壓變形,甚至破裂,就會引起熱失控。在車輛的行駛中,除車輛撞擊外,還有底盤刮擦、電池包固定件松脫等意外情況,引起電池包的跌落、擠壓,或者出現裂紋,殼體產生形變,導致單體電池擠壓破裂,出現漏液或內部短路,最終誘發熱失控。
由于我國車輛使用環境很復雜,電動汽車在使用過程中有可能遇到暴雨導致車輛泡水,或者通過深水坑,這種水有弱酸性且有大量雜質,如果進入電氣接插件內,它的插接端子間可能短路或發生腐蝕,引起整個電路異常發熱,或者燃燒。合肥工業大學研究了對單個電池用海水浸泡,導致熱失控的試驗[18]。他們采用NaCl鹽水作為替代海水,單個電池長時間浸泡后,安全閥會被鹽水損壞,鹽水進入電池內部出現短路,最后燃燒爆炸。
電池包的密封等級一般為IP67,理論上可浸泡半小時以上的時間。日常生活中車輛在道路上涉水,或車輛短時間浸水等情況下,一般不會超過30 min,沒有問題。如果車輛長時間浸泡在水中,或者電池包的密封性不合格,水也會通過接縫或者插頭進入電池包內部。車輛長時間使用之后,電池包的密封材料就慢慢老化,也容易進水。
鋰電池在充放電時性能與環境溫度關系密切,溫度會影響電池內阻,以及電解液中鋰離子的遷移速度,溫度上升則遷移速度加快,充放電速率增加。如果溫度下降則充放電的速度下降,同時電池容量也會下降。
低溫環境充電:低溫時電池容量會降低,大電流充電時材料會加速老化,而且會產生鋰枝晶,容易熱失控。高溫環境用電:鋰電池的工作溫度范圍一般在-20℃至60℃之間。當環境溫度超過60℃時,高溫疊加電池工作熱量,可能誘發熱失控。
電控液冷保溫:相對于風冷卻的電池包,電控液冷系統通常與座艙空調系統聯合在一起形成復雜的溫控系統,冷卻液進入電池包內部,并用電控技術控制冷卻液的溫度和流動。在極端環境溫度下,它可以使電池保持在最佳工作溫度區間,即10℃~35℃之間,發揮最佳的電池效能,并獲得最長的壽命。
美國加州大學的模擬試驗表明[19],電池包液冷系統不能阻止單個電池的熱失控,但是可以延緩或阻止熱失控向周圍電池擴散。車輛使用過程中有可能發生各種意外,如煙蒂引燃整車、點煙器引燃整車、炎熱的夏季太陽曝曬前風窗下方的香水和打火機等易燃物、充電時充電槍異常發熱、停車時排氣系統遇到車底的易燃物、相鄰車輛的燃燒等,引起車輛燃燒。
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