一段時(shí)間以來(lái)，新能源汽車起火事故時(shí)而被媒體報(bào)道，而起火的原因，大部分指向了電池，這讓動(dòng)力鋰電池的安全性再次成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。動(dòng)力鋰電池的重要品類是鋰離子動(dòng)力鋰電池，它的安全性貫穿于從電芯選材到使用終結(jié)的全生命周期，依次可分為汽車?yán)谩⑻荽卫煤驮偕萌齻€(gè)生命階段，本文通過(guò)深入分析汽車?yán)铆h(huán)節(jié)的安全問(wèn)題，探究安全問(wèn)題出現(xiàn)的原因以及提高安全性的方法，希望能為行業(yè)的發(fā)展供應(yīng)一些思考和幫助。

公司之所以能成為諸多大牌車企的合作伙伴，重要是因?yàn)楣驹阡囯x子電池生產(chǎn)制造方面多年的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)積累，以及對(duì)電池安全性的高度重視。寧德時(shí)代總體的發(fā)展目標(biāo)是做全世界最安全的鋰離子電池，鋰電業(yè)務(wù)從設(shè)計(jì)安全、產(chǎn)品安全、生產(chǎn)安全到售后安全建立了全方位的保障體系。鋰離子電池?zé)o論是應(yīng)用在新能源汽車，還是大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)，關(guān)鍵在于安全性、能量密度、功率密度、循環(huán)壽命以及價(jià)格等五個(gè)方面（如圖1所示），安全性始終是鋰離子動(dòng)力鋰電池研發(fā)的第一要位。

通常鋰離子電池在3C產(chǎn)品應(yīng)用較成熟，近年在新能源汽車和儲(chǔ)能領(lǐng)域存在爆發(fā)式的上升需求，目前我國(guó)儲(chǔ)能電池市場(chǎng)規(guī)模還沒(méi)完全釋放，而新能源汽車動(dòng)力鋰電池市場(chǎng)已成為各國(guó)爭(zhēng)相競(jìng)技的賽場(chǎng)。從圖2看出，美國(guó)制定的長(zhǎng)期目標(biāo)為開(kāi)發(fā)能量密度＞200Wh/kg的PHEV-100+和EV用二次電池，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）計(jì)劃至2020年達(dá)到250Wh/kg，2030年達(dá)到500-700Wh/kg，我國(guó)規(guī)劃至2020年，新型鋰離子動(dòng)力鋰電池單體比能量超過(guò)300Wh/kg，系統(tǒng)比能量力爭(zhēng)達(dá)到260Wh/kg，至2025年，單體比能量達(dá)500Wh/kg。

誠(chéng)如新能源汽車動(dòng)力鋰電池火爆的背后，不僅帶來(lái)了低端產(chǎn)量過(guò)剩，高端產(chǎn)量不足的結(jié)構(gòu)性產(chǎn)量問(wèn)題，同時(shí)還伴生了一些安全隱患，如下圖3的幾例典型電動(dòng)汽車起火和爆炸事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年底新能源汽車保有量40萬(wàn)輛，2016年國(guó)內(nèi)新能源汽車發(fā)生火災(zāi)共計(jì)29起，按這樣的事故比例計(jì)算，至2020年新能源汽車規(guī)劃保有量要達(dá)到500萬(wàn)輛，火災(zāi)事故相當(dāng)于250次左右。

鋰離子動(dòng)力鋰電池安全問(wèn)題的原因分析

從工作原理角度看，動(dòng)力鋰電池與消費(fèi)類電池基本相同，但動(dòng)力鋰電池的帶電量遠(yuǎn)大于消費(fèi)類電池，在過(guò)充、過(guò)熱、內(nèi)短路、外短路、機(jī)械觸發(fā)等因素下容易誘發(fā)熱失控，當(dāng)動(dòng)力鋰電池發(fā)生熱失控時(shí)可使電池溫度迅速升高到400-1000℃，進(jìn)而發(fā)生著火、爆炸等事故。動(dòng)力鋰電池?zé)崾Э氐难葑兎譃檎T因、發(fā)生和擴(kuò)展三個(gè)階段，隨著溫度不斷升高，電池內(nèi)部發(fā)生顯著變化，不同溫度階段伴隨著各種副反應(yīng)的發(fā)生，當(dāng)副反應(yīng)的產(chǎn)熱速率大于電池的散熱速率時(shí)，電池內(nèi)壓及溫度急劇上升，導(dǎo)致電池發(fā)生燃燒和/或爆炸。

鋰離子動(dòng)力鋰電池的結(jié)構(gòu)首先決定了其安全性能的好壞，如圖5所示，鋰電材料由正極材料、負(fù)極材料、電解液及隔膜等組成，充放電過(guò)程實(shí)際上是一種電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，SEI膜是在電池首次充放電過(guò)程中電極材料與電解液反應(yīng)沉積在電極表面的一層鈍化膜，當(dāng)溫度過(guò)高（T＞130℃）導(dǎo)致SEI膜分解，使電解液與裸露的高活性碳負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)，出現(xiàn)大量的分解熱量使電池溫度升高，這是導(dǎo)致熱失控的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原因，也是發(fā)生事故的根本原因，因此，改善SEI膜的熱穩(wěn)定性可以提高電芯的安全性。

從鋰電材料組成來(lái)看，正極材料占比最高，它決定了電池的比容量和比能量，比較磷酸鐵鋰（LiFePO4）與三元材料NMC(LiNixMnyCo1-x-yO2)發(fā)現(xiàn)，要提高安全性必定犧牲能量密度，影響安全性的重要因素是電極材料的本征電極電勢(shì)和晶體結(jié)構(gòu)；負(fù)極材料對(duì)安全性的影響重要來(lái)自于鋰枝晶的生長(zhǎng)導(dǎo)致的與電解液的反應(yīng)，鋰枝晶不斷生長(zhǎng)的原因是鋰離子通過(guò)SEI膜的速度小于鋰離子在負(fù)極上的沉積速度；電解液通常為有機(jī)碳酸酯類化合物，充電時(shí)不穩(wěn)定的正極材料發(fā)生副反應(yīng)釋放氧氣與電解液反應(yīng)，放出大量熱和易燃?xì)怏w；隔膜材料一旦破裂將造成正負(fù)極接觸發(fā)生短路，導(dǎo)致熱失控。如表6所示，在過(guò)充和高溫下，正極活性材料與電解液中的溶劑發(fā)生反應(yīng)釋放氧氣并出現(xiàn)大量熱；溫度升高使得在嵌鋰狀態(tài)下的碳負(fù)極材料由有序變無(wú)序，極易與電解液或粘接劑（如PVDF）發(fā)生放熱反應(yīng)；電解液溶劑（如PC/EC/EMC/DMC等）均為有機(jī)易燃物，高溫或一定電壓下發(fā)生氧化和分解反應(yīng)；隔膜材料PE熔點(diǎn)135℃，PP熔點(diǎn)165℃，溫度超過(guò)熔點(diǎn)，隔膜融化，發(fā)生內(nèi)短路。

目前鋰離子動(dòng)力鋰電池在乘用車和商用車應(yīng)用較多的分別是三元電池、磷酸鐵鋰離子電池，三元電池向高安全和高能量密度方向發(fā)展，這實(shí)際上是矛盾的，三元NCM或NCA均往高鎳方向發(fā)展，能量密度隨之提高，但電池安全性也隨之降低。從圖7看出，高含量Ni4+容易氧化電解液，釋放氣體，破壞材料晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致熱穩(wěn)定性下降，影響電芯安全性。

電化學(xué)反應(yīng)釋放的氣體和熱量使得電池內(nèi)壓和溫度升高超過(guò)了承受限度，例如一個(gè)40Ah的NCM/C軟包電池，電解液為溶質(zhì)LiPF6和溶劑EMC/DEC/EC，在充滿電時(shí)，通過(guò)針刺觸發(fā)熱失控，釋放出的氣體成分包括EMC、DEC、EC、苯、甲苯、苯乙烯、聯(lián)苯、丙烯醛、一氧化碳、氟化氫等易燃易爆有害氣體；一個(gè)3C消費(fèi)類電池，材料為L(zhǎng)iCoO2/C，2.1Ah軟包，7.7Wh容量，觸發(fā)熱失控后出現(xiàn)的氣體種類及含量如表8所示，充電狀態(tài)SOC（StateofCharge）分別為50%、100%、150%時(shí)，陸續(xù)釋放的氣體體積分別是0.8L、2.5L、6.0L，電池包被漲破，氣體快速冒出，能量聚集到一定程度而起火或爆炸。

除了鋰電材料影響電池安全性外，有句行話說(shuō)安全性是設(shè)計(jì)出來(lái)的，因此電芯及PACK的設(shè)計(jì)、BMS的設(shè)計(jì)、整車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，其中BMS具有防過(guò)充、溫控、電控、監(jiān)控電池工作狀態(tài)并預(yù)測(cè)電池電量等功能，是動(dòng)力鋰電池的大腦，電池外殼的設(shè)計(jì)要求防水等級(jí)IP67、具備散熱系統(tǒng)以及滿足足夠的強(qiáng)度。如圖9所示，動(dòng)力鋰電池的生產(chǎn)制造工藝復(fù)雜，每個(gè)步驟都有可能出現(xiàn)安全問(wèn)題，由于工藝水平的限制，即使同一批次出廠的同一型號(hào)電池，其電壓、容量、內(nèi)阻等也不可能完全一致。雖說(shuō)鋰離子電池組成及結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致安全問(wèn)題的根本原因，但來(lái)自外界的碰撞、擠壓、穿刺、顛簸等環(huán)境因素直接造成了電池燃燒、爆炸等危險(xiǎn)。

鋰離子動(dòng)力鋰電池安全問(wèn)題的解決途徑

鋰離子電池的安全問(wèn)題貫穿于電池材料配方、電池包設(shè)計(jì)、電池生產(chǎn)制造工藝、電池管理體系、整車使用環(huán)境的全過(guò)程，本文總結(jié)了一些解決安全問(wèn)題的措施，以供讀者參考。

1、采用新型正、負(fù)極材料，提高熱穩(wěn)定性

目前正極材料突破還有一定空間，通過(guò)優(yōu)化三元材料（NCM、NCA等）有價(jià)金屬的比例，找到既能提高能量密度，又能保證安全性的平衡狀態(tài)，使比能量趨向于300Wh/kg。負(fù)極材料采用硅碳復(fù)合材料，最大的優(yōu)點(diǎn)是其理論容量可達(dá)4200mAh/g以上，比石墨類負(fù)極容量372mAh/g高很多倍，目前公司正在通過(guò)硅納米化、硅碳包覆、摻雜等手段解決硅碳復(fù)合材料的循環(huán)壽命差的問(wèn)題，據(jù)知上海杉杉已進(jìn)入中試。采用鈦酸鋰作負(fù)極，重要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在循環(huán)壽命超過(guò)10000次，環(huán)境應(yīng)變低于1%，不生成傳統(tǒng)意義的SEI膜，插鋰電位高，不生成鋰枝晶，可快速充電，熱穩(wěn)定極高，但其價(jià)格太高，克容量較低（170mAh/g左右），因此比較適合對(duì)空間沒(méi)有要求的大巴和儲(chǔ)能領(lǐng)域。

2、高固態(tài)電解液、耐高溫隔膜材料已在嘗試規(guī)模應(yīng)用中

固態(tài)電解液是一種趨勢(shì)，前期有些電解液廠商大肆宣傳固態(tài)電解液，實(shí)際上是在傳統(tǒng)溶劑與電解質(zhì)（如LiPF6）體系中新增了固態(tài)成分的比例，并不是完全的固體電解液。隔膜通常采用PE膜或PE/PP復(fù)合膜，熔點(diǎn)較低，耐高溫的陶瓷改性膜以及新型聚合物膜已經(jīng)在規(guī)模化試用階段。

3、研發(fā)基于安全性的新型動(dòng)力鋰電池

未來(lái)全固態(tài)電池具有不可燃、無(wú)腐蝕、不揮發(fā)、不漏液、更高安全性和更長(zhǎng)使用壽命的優(yōu)點(diǎn)。隨著氫能時(shí)代的到來(lái)，也帶動(dòng)了氫燃料動(dòng)力電池的快速發(fā)展，成為動(dòng)力鋰電池發(fā)展不可忽視的趨勢(shì)，氫燃料動(dòng)力電池比鋰離子電池更安全，但要解決氫的供應(yīng)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸難題。石墨烯可以說(shuō)是當(dāng)下最火的碳材料，其優(yōu)良的電子傳輸能力、導(dǎo)熱性以及能量?jī)?chǔ)存性決定了在鋰電、儲(chǔ)能的廣泛應(yīng)用，如石墨烯/鈦酸鋰離子電池6分鐘可以充滿電，循環(huán)充放電可達(dá)2萬(wàn)次，安全性比三元和磷酸鐵鋰更高，但后期要提高能量密度。

4、把握好設(shè)計(jì)關(guān)和檢測(cè)關(guān)，保證電池的安全性

電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，管理系統(tǒng)的優(yōu)化為安全性供應(yīng)保障，如發(fā)展高靈敏性的熱控制技術(shù)（PTC熱敏電阻），頂蓋設(shè)有安全閥（出氣孔）等。每個(gè)商業(yè)化的動(dòng)力鋰電池進(jìn)入市場(chǎng)前都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)，常見(jiàn)的檢驗(yàn)方法、標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)設(shè)備如表10所列。

5、智能化提高了產(chǎn)品的一致性和安全性

動(dòng)力鋰電池智能制造一直是生產(chǎn)發(fā)展的方向，國(guó)內(nèi)外電池公司所用設(shè)備的自動(dòng)化、智能化程度越來(lái)越高，產(chǎn)品越來(lái)越精細(xì)，同一批次相同產(chǎn)品的一致性越來(lái)越高，廢品率大大降低，但在品質(zhì)把控的水平上，國(guó)內(nèi)電池制造與國(guó)外還存在一定差距。

6、動(dòng)力鋰電池置于商用車底部提高安全性

商用電車設(shè)計(jì)中要考慮安全、穩(wěn)定、一體化、輕量化、能量傳動(dòng)等技術(shù)細(xì)節(jié)，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力鋰電池總體布置在底部時(shí)，側(cè)翻、橫擺穩(wěn)定性等明顯優(yōu)于頂置和后置，保證了運(yùn)行中安全可靠。

鋰離子電池上下游公司有關(guān)安全的技術(shù)研發(fā)比較

如表12所列，本文比較了國(guó)內(nèi)外知名動(dòng)力鋰電池上下游公司從安全角度出發(fā)所進(jìn)行的研發(fā)狀況。

相信99%的安全是設(shè)計(jì)和制造出來(lái)的，只有從全產(chǎn)業(yè)鏈和全壽命周期考慮解決動(dòng)力鋰電池的安全問(wèn)題，才有可能杜絕1%的安全事故。