电动车科普｜动力电池安全那些事

电动车科普｜动力电池安全那些事

动力电池，是指用于新能源车，为其提供动力来源的可充电蓄电池系统。动力电池作为新能源车最关键的部件之一，直接影响新能源车的续航里程、安全性、使用寿命、充电时间和温度适应性等性能。

当前动力电池安全性主要风险来源于机械变形、电路极端情况、冷热极端情况。通过电、热保护、新材料等方式，已有成熟技术有效控制动力电池风险。

车用电池类型及优缺点

（一）结构一体化技术

结构一体化电池是目前电池厂和车企的主流，该技术是直接把电芯集成到箱体的一种技术。

主流电池

宁德时代（CATL）

CTP（cell to pack）

比亚迪（BYD）

刀片电池

特斯拉

结构化电池

（structural battery）

结构一体化策略具有质量和体积能量密度高，较低成本。集成了电池管理和热管理系统，对系统和工艺装备要求更高。不同厂家的差异主要在于系统的构筑方案和细节的调制。

比亚迪刀片电池比传统方形电池更薄，散热效果更好。宁德时代和特斯拉等公司推出了单元化封装技术，通过电芯之间填充阻燃聚合物材质，整合液冷等温控系统，维持电池因季节性等温差一起的温度变化，同时提升电池的安全性。

（二）电芯技术

电芯主要作为能量存储和释放的单元，通过结构一体化方案，集成电芯作为整车结构件的一部分。

当前主流电芯集成技术

1.宁德时代的方壳电池

2.比亚迪的长方体刀片形状电芯

3.特斯拉的4680圆柱电池

伴随着负极采用硅碳复合材料，正极采用高镍三元材料，降低电芯中集流体如铜和铝箔的厚度减重等提高电芯密度手段，当前磷酸铁锂电芯能量密度从以往的140 Wh/kg，已提升至近190 Wh/kg。

（三）电池材料

目前动力电池电芯根据正极采用的材料不同主要有磷酸铁锂和三元（镍钴锰氧化物）电池。

磷酸铁锂电池是比亚迪的首推技术路线。在储能领域，磷酸铁锂电池因其循环性能和安全性的优势也受到广泛关注。

三元电池

特斯拉主要采用三元电池体系，松下，LG和宁德时代是其主要的电池供应商。三元电池是高里程汽车的首选路线。

电池安全性分析

（一）动力电池滥用和热失控根源

尽管磷酸铁锂和三元电池均可通过电芯和结构一体化设计，整合电池管理和温控系统等实现电池在生命周期内的安全运行，但还无法完全避免在实际运行过程中发生热失控（TR）问题。

成品电池的热失控主要来源于3类电池滥用：

1.机械滥用

（挤压、穿透、跌落、浸入、翻滚等）

2.电化学滥用

（强制过充、过放电、短路等）

3.热滥用

（火灾、热冲击、过热等）

当滥用超出容忍范围时，触发电池的有害内部反应，电池温度上升，产生热失控问题。高温下，电池内部会发生一系列事件，例如电极界面层分解、阳极-电解质反应、电解质分解、压力增大、分离器熔化和阴极击穿。最终，这些事件增加了电池的内部温度，随后触发TR。在那一刻，TR积累了更多的热量，进而燃烧电解液并点火。在较高的内部压力下，安全通风口破裂，释放产生的气体，释放更多的气体，引发火灾和随后的爆炸。

电化学滥用是三类滥用中动力电池产生热失控的最主要原因，热失控常常发生在电池充电时。因此，优化充电桩的设计、强化充电器材使用规范，在异常状况下控制无序脉冲的产生，减少电化学滥用是目前亟需关注的问题。

（二）动力电池安全策略措施

在动力电池结构一体化设计上，当前技术主要通过五个方面进行安全管理。

安全管理

1.电池热管理系统（BTMS）

在高、低温环境下调节电池组内的温度，提供恒温工况，改善电池的电化学性能。目前主流电池厂主要通过液体控温系统，通过水循环确保电池组的温度均匀性和最佳工作温度。

2.热熔丝（器）

热熔断器是一种保护装置，由具有特定合金、电阻和热特性的导线组成，当预设电流通过时，该导线将熔化。

3.正温度系数（PTC）

正温度系数（PTC）是一种电阻率随温度升高而增大的保护装置。该装置的主要功能是防止锂离子电池因外部短路或过流和过热而产生大电流，从而避免热失控。

4.电流中断装置（CID）

电流中断装置（CID）通常用于在锂离子电池内部出现不希望出现的过高内部压力时，通过中断电池电路来进行保护。过高压力来自于各类不利条件（例如，超温、短路和过充电）时，电池产生的大量内部气体。

5.控制热失控范围

避免在单个电芯热失控时牵连整个电池组的安全。如宁德时代和特斯拉在电芯周围包裹阻燃聚合物等手段，目前认为可实现单个电芯热失控不影响其它电芯。

 （三）动力电池安全新材料

1、过充保护添加剂

氧化还原穿梭添加剂是一种通过避免内部电压过充来提高电池安全性的方法。在比充电结束电压稍高的特定电压下，氧化还原对可以在电极之间可逆地氧化/还原，并提供固有的过充电保护。

2、电解质材料

可以通过电芯关键组分电解质的改进提升电池安全性能。近年新一代固态电池也受到广泛关注，固态电解质的使用可有效避免有机和易燃的电解质的产生。

3、电解质阻燃添加剂

在热失控的早期阶段，会触发放热反应，进而在电池内产生气体，导致内部压力升高。通过添加剂、修改现有化合物的分子结构或使用具有更高热稳定性的替代溶剂进行化学改进，如使用阻燃添加剂（FR）来降低电解液的可燃性。

4、正负极材料替代

正极方面，主要采用元素替代和保护涂层技术。负极方面，主要以人造界面层（SEI）等手段，通过降低电解液的电化学反应性使不可逆容量最小化，以改善SEI层的机械和热性能。

5、隔膜涂层

隔膜是锂离子电池性能和安全性的关键因素。传统的分离材料包括纸、凝胶或聚合物。为提升隔膜性能，可使用氧化铝或陶瓷涂层，目前更广泛使用的是陶瓷涂层。