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影响动力电池安全性的因素有哪些

  动力电池安全与电池材料性质和结构设计有密切的关系,与电池备技术和使用环境紧密相关。从动力电池的生产到最后的应用来看,影响动力电池安全性的因素贯穿在电芯的材料选择和设计生产、模组的集成和使用整个过程中。

  在新能源汽车领域,动力电池由于具备相对较高的能量密度、输出功率等特点得到越来越广泛的应用。但动力电池的性能及寿命会使用时间长而衰减,更重要的是在不同的使用环境下会产生不同的情况例如在低温下电池容易出现比容量低、衰减严重等现象,高温下存在自燃自爆的隐患。
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  这些潜在的安全隐患直接导致新能源汽车消费者的信心不足因此动力电池安全性把控十分重要,有助于降低电池的安全隐患和发生事故的频率,减少或避免动力电池出现安全问题时造成的危害。

  动力电池主要由正极、负极、隔膜、电解液、电池外壳等构成。若按正极材料来分,主要分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂以及镍钴锰酸锂三元材料等。按电芯的结构形状来分,主要分为圆柱和方形以及软包这三种。

  不同材料选择和结构设计的电池优缺点都十分明显,因此动力电池安全与电池材料性质和结构设计有密切的关系,另外与电池制备技术和使用环境紧密相关。从动力电池的生产到最后的应用来看,影响动力电池安全性的因素贯穿在电芯的材料选择和设计生产、模组的集成和使用环境整个过程中。

1)电芯材料选择和评估

  电芯的性质和安全在很大程度上由电芯材料决定,如果在选用电芯材料时没有对原材料进行深入的评估,必然会在第一阶段就造成电芯安全性的不足。

电池的比容量和比能量主要由正极材料决定,更重要的是其安全性受正极材料的本征电极电势影响,比如磷酸铁锂和三元的安全性差异。因此需要通过对电芯材料种类进行选择和元素掺杂来改善,尽量选择电位和电解液电化学窗口相匹配的、反应放热较少的材料,用以提高电芯安全性。

  负极活性材料对安全性能的影响主要来自于锂枝晶的生长和电解液的反应。在快充的过程中,一旦锂离子通过SEI膜的速度比锂沉积在负极上的速度慢,锂的枝晶会随着充放电循环而不断生长,可能导致内部短路而造成电解质发生反应以致热失控。因此通过改善SEI膜的热稳定性可以提高电芯的安全性。

  电解液通常使用的溶剂为有机碳酸酯类化合物,它们化学性能活泼且极易燃烧。正极材料处于充电态时为强氧化性,而处于强氧化性状态下的正极材料稳定性一般较差,很容易释放出氧气,而碳酸酯极易与氧气反应,放出大量的热和气体。一旦出现热失控后产生热量会进一步加速正极的分解,产生更多的氧气,促进更多放热反应的进行。

电池隔膜

  隔膜的主要作用是将电池的正、负极分隔开,起到关闭和阻断通道的功能,可以让锂离子自由通过,而电子不能通过。一旦隔膜出现破裂等情况将会造成正负极接触短路导致热失控,因此对隔膜的机械强度、孔隙率、厚度均一性和耐温提出了很高的要求。

2)结构设计和生产工艺

  动力电池的安全性也与电池的结构构造有较大关系,尤其电池容量和大小对电池的安全性有重要影响。容量高的电池通常放热量较大,而体积大的电池其散热相对困难,热量更容易被累积,从而出现热失控的概率更大。

  为保证锂离子电池在使用过程中不出现问题,都会在锂电池电池壳表面设置安全阀,以防内部压力过高。在电芯的结构设计中存在很多引发内短路的潜在危险部位,因此应该在这些关键位置设置必要的措施或者绝缘,以防止在异常情况下发生电池内短路。

  电芯生产制造工艺基本步骤分为混料、涂布、辊压、裁片、卷绕或叠层、极耳焊接、注液、封口、化成、排气、分容等,在每一个步骤都有可能由于操作工艺不当造成电芯的安全性问题。

  在电芯原材料检测阶段,如果不严格按照标准或生产时环境差,很容易导致电芯中混入杂质,对电池的安全性有很大的影响。另外,电解液中如果混入了较多的水分,可能就会发生副反应而增大电池内压,对安全造成影响。在电芯的生产过程中,由于工艺水平的限制使得电池极板厚度、微孔率、活性物质的活化程度等存在微小差别。

  这种电池内部结构上的不一致性就会使同一批次出厂的同一型号电池的电压、容量、内阻等不可能完全一致。产品无法达到良好的一致性,都可能会对电芯的安全性带来不利的影响。

(3)外部环境和使用条件

  新能源汽车在使用过程中的环境是不断变化的,一旦发生碰撞,电池系统将承受巨大的冲击载荷,并且可能受到挤压、穿刺等损坏,严重的造成电池的燃烧、爆炸等危险。另外一方面长期在路面上颠簸,容易导致电池固定松动,造成一些机械性的伤害和连接件的松动导致的一些问题。

动力电池使用环境复杂

  电池箱外壳作为电池的第一防护层,防水等级需达到IP67。在不影响防水等级的基础上同时必须具备散热系统,以保证密闭空间内的温度不至过高,有效地保护电池的安全和使用寿命。其结构必须保证在大容量的容纳空间基础上满足足够的强度,以保证在非正常情况下的碰撞下保护里面的电池不受大力挤压。

  除了在电芯制造过程中注意和外部保护条件之外,对BMS 的管理功能同样提出很高的要求。BMS主要检测电池的状态以及电池组中各单体电池的状态,并根据电池(组)的状态对电池(组)进行适当的控制策略调整,可以接受上层控制模块的控制信息并做出必要的响应,实现对动力电池(组)的充放电管理以保证动力电池系统安全稳定地运行。因此功能全面的BMS可以提高动力电池在使用过程中的安全可靠性。

总结

  动力电池的安全性能,决定了其在新能源汽车领域的市场和未来。为了保证新能源汽车的安全,各个企业需要不断通过改进工艺和技术提高锂电池电芯的安全性,需要针对动力电池系统不断进行结构优化和设计分析。另外,使用者同样需要要、正确使用动力电池系统,杜绝机械滥用、热滥用和电滥用以保证电池的安全可靠性。

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原标题:《动力电池安全性因素探究》OFweek锂电网

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