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充电桩|电动汽车锂电池灭火技术研究


来源 |电动学堂
随着电动汽车行业迅猛发展 ， 动力锂电池火灾呈多发态势 。 研究发现 ， 电动汽车发生火灾多是由于其内部动力锂电池热失控所致 ， 动力锂电池起火引发的电动汽车灭火技术逐渐引起各界的重视 。
1、动力锂电池结构
动力锂电池作为整车动力来源 ， 是电动汽车发展的核心技术 。 目前 ， 在电动汽车上主要应用的电芯按外形分为圆形和方形 ， 其中 ， 圆形电芯有18650、21700 两种 。 典型圆形电芯和方形电芯的结构,如图1 所示 。
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锂电池按外包材料可分为铝壳锂电池、钢壳锂电池、软包电池 。 按正极材料可分为钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰（NCM）、镍钴铝（NCA）、磷酸铁锂（LFP） 。 其热稳定性大小顺序为磷酸铁锂电池＞锰酸锂电池＞三元材料电池（NCM、NCA）＞钴酸锂电池 。 目前 ， 方形电芯在国内成为动力锂电池的主流 。 圆形和方形锂电池技术特性对比,见表1 所示 。
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2、 动力锂电池起火原因
2.1 电动汽车起火案例分析
电动汽车起火案例分析表明 ， 起火原因大多是由于动力锂电池热失控所致 。 通过对某型电动汽车一年起火时间分析 ， 发现在温度较高的5-8 月 ， 起火案例起数占总数的52%以上 ， 环境温度过高是动力锂电池起火的因素之一；从该电动汽车起火案例中车辆运行状态统计还发现 ， 充电过程中起火占比为68% ， 行驶过程起火占比为20% ， 静止和其他情况下起火占比为12% 。
2.2 动力锂电池热失控发生机制
电动汽车使用过程是动力锂电池的充放电循环过程 ， 会发生复杂的化学反应 。 由于负极表面SEI 膜的热稳定特性 ， 当温度达到120～140 ℃时会发生热分解 。 SEI 膜分解会使负极裸露 ， 直接与电解液接触 ， 发生剧烈的还原反应 ， 并放出大量可燃性气体 ， 同时释放出大量的热 。
当SEI 膜分解释放的热使电芯温度达到180～200 ℃时候 ， 正极开始发生分解 。 正极分解过程中释放原子态氧 ， 原子态氧的活性很高 ， 会直接导致电解液剧烈氧化分解 ， 短时间内电芯积聚大量的热 。
当温度过高或充电电压过高时 ， 发生潜在的放热副反应 ， 热量聚集时 ， 电芯温度和压力急剧上升 ， 导致热失控发生 ， 其中正极热分解量最大 。 不同正极材料的电芯热稳定性不同 ， 三元材料的电芯热分解相对较低 ， 磷酸铁锂在200～400 ℃时基本不分解 ， 随着镍含量的增加 ， 高镍三元正极热分解温度越来越低 ， 放热量越来越大 ， 温度在120 ℃左右就开始发生热分解 。
当动力锂电池散热性能不达标 ， 化学反应释放的热量使温度升高 ， 促使化学反应速率呈指数级增大 ， 系统进入自加温状态 ， 发生热失控 。 另外 ， 电芯都装配有泄压阀 ， 动力锂电池也会配备防爆阀 ， 当电池压力达到6～8 Pa 时会泄压 。 在泄压过程中 ， 电解液的闪点很低 ， 电解液蒸气在喷出时 ， 与防爆阀的摩擦足以导致动力锂电池燃烧 。 由此可见 ， 动力锂电池起火的特点是不会发生剧烈爆炸 ， 但具有燃烧迅速的特点 。
2.3 动力锂电池起火过程
为验证电动汽车动力锂电池的起火过程 ， 笔者与研究人员进行了某型号动力锂电池的热失控过程验证试验 。 试验设备包括电池包监控上位机、加热片、万用表等 。 动力锂电池参数 ， 见表2 所示 。 试验内容包括：电池模组和电池包的单颗电芯热失控发生的条件；热失控后扩散的进程和范围；电池包进水后的放电情况及放电过程中出现的异常情况 。 试验过程的数据与现象 ， 见表3 所示 。
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