锂离子动力电池安全问题及防控技术分析
摘要：锂离子动力电池具有高比能量、长寿命等特点，是目前电动汽车的主流动力源。然而，由其安全问题引发的事故时有发生。综述介绍并分析了近几年国内外发生的锂离子动力电池典型安全事故及其原因，详细讨论了动力电池热失控机理及热扩展危害，重点对动力电池安全防控技术研究进展进行了概述，并展望动力电池的未来发展方向。
动力电池作为电动汽车的引擎，已成为汽车和新能源化工领域技术竞争的核心。在国家科技部、工信部的持续引导和支持下，我国动力电池的研发水平、工程化能力和产业规模得到了快速提升。锂离子电池是目前最具实用价值的电动汽车用动力电池，具有高比能量、环境友好及长寿命等特点。然而，以热失控为本质的电池安全问题仍困扰着电动汽车的发展。本文介绍了近几年国内外发生的动力电池典型安全事故，并总结分析原因，详细讨论了动力电池热失控机理及危害，对动力电池安全防控技术研究进展进行概述，并展望了未来的发展趋势。
1  动力电池安全事故及原因分析
1.1  安全事故分析
研究电池的安全特性，揭示事故原因，对解决动力电池系统安全性问题十分必要。表1列举了近五年发生的锂离子动力电池部分事故及原因分析。
表1  近年发生的锂离子动力电池安全事故杭州特斯拉起火
由表1可知，由机械碰撞、内短路等引起的电池热失控是电池发生起火、燃烧甚至爆炸的核心原因。热失控触发的具体原因可细分为机械、电和热触发3类（如图1所示）。几种触发形式具有一定的内在联系：外界的机械触发（如挤压、针刺、跌落等）导致电池形变，引发短路等并造成电触发，而电触发产热造成了热触发（温度升高、过热），直接引起电池热失控，发生燃烧、爆炸等事故。综上，热触发造成的热失控是导致电池安全事故发生的核心原因，对热失控机理的分析和揭示具有重要意义。
图1  动力电池事故触发的原因图
1.2  热失控机理及危害
国内外学者对电池热失控机理进行大量研究。动力锂离子电池热失控反应过程如图2所示。由于内部短路、外部加热，或者电池在大电流充放电时自身发热，发生热引发，产热速率大于散热速率，电芯中的SEI膜、电解液、正负极等在高温下发生一系列热失控反应（热分解等），使电池内部温度快速升高，直到某一温
度点，放热速率迅速增加，电池内部能量将会在瞬间剧烈释放，此过程不可逆且不可控，称为热失控，此温度称为热失控触发温度(TRonset)。通常，电池热失控后发生剧烈升温（高达1000 oC），并可能伴随冒烟、燃烧及爆炸等现象。
图2  动力锂离子电池热失控过程示意图
众所周知，动力电池由众多电池单体构成，局部单体热失控触发后，其释放的热量将迅速向周围传播，极易触发周围电池的热失控，这一过程称为热失控的扩展（蔓延）。这些热量快速向周围电池与电池附件等传递，整个电池组的能量释放，将会带来极大的危害。因此，应防范热失控扩展的发生，将热失控局限于单体部分，防止动力电池安全事故发生。
2  动力电池安全防控技术
近年来，国内外有关动力电池安全防控技术研究已成为全球关注热点。根据热失控触发及扩展机理，国内外学者有针对性地开展
大量电池安全防控技术研究。主要分为以下几个方面：①高稳定的电极材料研发和应用，从根本上防止热失控发生，即降低单个电池热失控的可能性；②热失控扩展防控技术，防止由单个电池热失控传递到其他电池，从而导致整个电池模块失效的连锁反应，即实现热失控扩展的抑制；③安全结构设计及应急控制技术，当发生热失控及扩展时，尽量降低事故的严重性。
2.1  高稳定电极材料研发
电极材料是电池的核心，为提高电池防止热失控的内在能力，改善电池本质安全，国内外诸多研究者
致力于改进电池材料、提高材料稳定性。锂离子动力电池一般由正负极、隔膜、电解液等组成。通过对正极、负极、隔膜和电解液等关键电极材料进行改进，提高抗热失控特性，切断链式反应，可从根本上防止热失控发生。对电极材料改性主要包括表面包覆和掺杂改性。对高安全性电解液的改进，包括新型锂盐的研发、溶剂改性以及添加电解液添加剂等。如图3所示，Xia等开发的基于氟代碳酸乙烯酯(FEC)和氟代醚(HFPM)共溶剂的高压电解液（F-electrolyte）具有完全不燃性，而常规电解液在同样条件下燃烧剧烈。实验表明由这种新型氟代电解液装配的18650电池通过了针刺实验，展现出了较好的安全性能。此外，隔膜的耐穿刺性能对电池内部短路影响较大，解决这一问题有效途径之一是研制高强度的无机隔膜，以替代目前的有机隔膜材料。例如，以表面包覆等形式在隔膜表面