圖文詳解動力電池安全測試技術(shù)及案列分析

　　現(xiàn)在新能源汽車技術(shù)備受關(guān)注，動力電池的安全性也是新能源汽車發(fā)展過程中首要解決的問題。

圖1是TUV的關(guān)于動力電池安全方面測試項目，大致分為安全測試（Safety Testing）和濫用測試（Abuse Testing）。其中擠壓（crush）測試和針刺（nail penetration）測試屬于濫用測試。這兩項測試對電池的破壞性很大。擠壓是直接對電池施加外部機械力，迫使電池發(fā)生形變，從而造成電池內(nèi)部各部分的機械變形，產(chǎn)生外部內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織破壞（例如隔膜斷裂、刺穿），產(chǎn)生內(nèi)部短路，促發(fā)可能的熱失控。針刺是外部金屬異物直接刺入電池內(nèi)部，刺穿電池內(nèi)部組分，同樣造成內(nèi)部短路，促發(fā)可能的熱失控。這里通過一些例子來看一下這兩個測試。

　　圖1 電池安全和濫用測試項目

　　先看一下LFP/C電池的測試。LFP材料的熱穩(wěn)定性相對較高，在濫用測試中有助于抑制或延緩熱時空的發(fā)生。這里是ELIIY Power的50Ah（106Wh/kg）電池的一個案例，由TUV做的針刺測試。針刺刺入的位置在電池表面的中心。從鋼針刺入的整個過程來看，該電池沒有觀察到任何異?，F(xiàn)象，顯示出較高的安全性（圖2a-2c）。

　　圖2 LFP 50Ah電池的針刺測試

　　關(guān)于針刺試驗，EC Power利用仿真技術(shù)研究了鋼針的粗細對NCM電池（5Ah，120Wh/kg）針刺測試結(jié)果的影響。有一組數(shù)據(jù)可供參考：20mm的鋼針，針刺位置溫度達到150攝氏度需要150秒；10mm鋼針，針刺位置溫度達到150攝氏度需要75秒；5mm鋼針，針刺位置溫度達到150攝氏度僅僅需要2秒（圖3）。說明采用較細的鋼針，在針刺位置的局部溫升相對更快，更加容易造成電池?zé)崾Э亍?/p>

　　圖3 鋼針粗細對針刺結(jié)果的影響

　　圖4同樣是EIILY Power的50Ah LFP電池的擠壓測試，擠壓位置也在電池中間位置。從擠壓頭擠壓到電池厚度一半左右的位置，電池沒有觀察到任何異常現(xiàn)象（圖4a，4b）。繼續(xù)擠壓時，可以看到電池內(nèi)部電解液噴射出來（圖4c）；繼續(xù)擠壓時，開始出現(xiàn)少量白煙（圖4d）；擠壓到圖4e位置時，觀察到電池殼體開始發(fā)生破裂；圖4f是100%擠壓變形了，電池殼體已經(jīng)被擠壓破裂成兩半，并且可以觀察到在右邊半塊電池表面的塑料包裝膜開始受熱收縮，說明此時電池內(nèi)部溫升較快。盡管如此，在整個擠壓過程中，電池沒有出現(xiàn)著火、爆炸現(xiàn)象，顯示出較好的安全特性。

　　圖4 LFP 50Ah電池的擠壓測試

　　圖5是一個單體電池的擠壓測試的失敗案例。從擠壓頭開始擠壓電池，電池就有少量白煙從頂部冒出（圖5b），接著就開始噴射出大量白煙（圖5c），緊接著在第六秒鐘就噴射中大量火星和火焰，電池完全著火爆炸，數(shù)秒鐘之內(nèi)，著火爆炸產(chǎn)生的氣體、煙霧、飛濺出來的殘留物就彌漫到整個測試房間內(nèi)。

　　圖5 擠壓測試失敗案例

　　我們看一下鋰離子電池在熱失控后從電池內(nèi)部都釋放出哪些氣體。當(dāng)然，由于每種電池的組成、結(jié)果、化學(xué)狀態(tài)都存在差異，釋放出來的氣體各有差異。通常，這些氣體都是可燃的，當(dāng)熱失控造成電池內(nèi)部溫度快速上升到一定程度，就有可能觸發(fā)燃燒。這里以一個40Ah NCM/C軟包電池為例說明，它的電解液為LiPF6/EMC/DEC/EC。在充滿電的情況下，通過針刺出發(fā)熱失控，從而采集分析釋放的氣體成分。分析結(jié)果顯示，釋放出來的氣體成分主要包括：

　　· EMC：碳酸甲酯乙基酯

　　· DEC：碳酸二乙酯

　　· EC：碳酸乙烯酯

　　· Benzene：苯

　　· Toluene：甲苯

　　· Styrene：苯乙烯

　　· Biphenyl：聯(lián)苯

　　· Acrolein：丙烯醛

　　· CO：一氧化碳

　　· COS：硫化碳酰

　　· Hydrogen fluoride：這是氟化氫

　　上述這些物質(zhì)中，有些是氣體，有些是揮發(fā)的液體。前三種物質(zhì)是電解液本身揮發(fā)出來的，后面幾種物質(zhì)都是在熱失控過程中形成的新物質(zhì)。上面所有物質(zhì)都已具有一定毒性的，在一定溫度下都是可燃的。

　　下面再看一個傳統(tǒng)消費類電池，電池材料為LiCoO2/C，2.1Ah軟包電池，能量為7.7Wh。觸發(fā)熱失控后通過設(shè)備采集氣體進行分析，得到表1結(jié)果。這里的氣體成分包括：

　　·一氧化碳、二氧化碳、氫氣

　　·甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、丁烷、異戊烷、異戊烷、己烷、乙烯、丙烯、苯、甲苯、苯乙烷

　　其中，在100%SOC和150%SOC下，體積含量最多的是一氧化碳、二氧化碳和氫氣。主要成分是一氧化碳、二氧化碳和氫氣，其余是烷烴、烯烴、苯等有機物，這些也可使可燃氣體。

　　表1 氣體成分

　　同時測量釋放出來的氣體的含量（表2），從50%SOC到100%SOC，熱失控后釋放出來的氣體含量增加了3倍多。在150%SOC，釋放的氣體含量達到了50%SOC下的7.5倍，一個小小的電池竟然可以釋放出這么多的氣體。

　　表2 氣體含量

　　動力電池產(chǎn)品關(guān)乎用戶的生命安全，其安全設(shè)計和要求在整個電池系統(tǒng)設(shè)計中處于最高優(yōu)先級。這需要選擇合適的電池材料、優(yōu)化單體電池設(shè)計、強化模組和系統(tǒng)的電氣安全設(shè)計、應(yīng)用FMEA工具綜合考慮/分析各種安全失效模式和應(yīng)對措施，從而設(shè)計出高性能、高安全的動力電池產(chǎn)品。