中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：隨著鋰離子電池的大規(guī)模普及應(yīng)用，世界范圍內(nèi)有一些新能源汽車和儲(chǔ)能電站的電池在正常使用情況下突然自燃，這些電池的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)往往顯示事故發(fā)生前并無(wú)異常。目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)電池突然自燃的形成原因和預(yù)警方法都還存在很多困惑。清華大學(xué)歐陽(yáng)明高院士團(tuán)隊(duì)與蜂巢能源科技股份有限公司合作，揭示了電池突然自燃的形成原因和演化機(jī)制，復(fù)現(xiàn)了電池在正常使用情況下的突然自燃，并提出了對(duì)應(yīng)的安全預(yù)警和防控方法，該成果在國(guó)際交通電動(dòng)化雜志eTransportation上發(fā)表，并獲得2項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)。
1. 背景介紹
鋰離子電池不僅被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品，也成為了目前交通電氣化和儲(chǔ)能電站等大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域中的主要儲(chǔ)能載體。但近年來(lái)國(guó)內(nèi)外也發(fā)生了很多鋰離子電池導(dǎo)致的安全和自燃事故，相當(dāng)一部分還是在擱置階段和正常充電過(guò)程中。2020年8月，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局對(duì)65起新能源汽車火災(zāi)事故調(diào)查結(jié)果顯示動(dòng)力電池故障是火災(zāi)事故的主要原因，占比達(dá)77%。
目前的新能源汽車和儲(chǔ)能電站一般會(huì)配有電池管理系統(tǒng)(BMS)和大數(shù)據(jù)云平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)管和安全預(yù)警，通過(guò)對(duì)非濫用情況下（無(wú)過(guò)充、過(guò)放、加熱、碰撞、擠壓、泡水、外短等情況）的事故電池歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有些電池起火事故發(fā)生前沒(méi)有任何征兆（電壓、溫度、SOC、容量、一致性等表現(xiàn)正常），往往在數(shù)秒內(nèi)就發(fā)生了熱失控或起火，即突然自燃，也被稱為“突然死亡型熱失控”、“猝死型熱失控”和“突發(fā)型熱失控”，嚴(yán)重危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全和新能源行業(yè)健康發(fā)展。目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)電池突然自燃的形成原因和預(yù)警方法都還存在很多困惑。
2. 電池突然自燃原因、復(fù)現(xiàn)和預(yù)警
清華大學(xué)歐陽(yáng)明高院士團(tuán)隊(duì)與蜂巢能源科技股份有限公司多部門合作，從電池全生命周期管理角度出發(fā)，對(duì)涉及電池安全的各個(gè)生產(chǎn)工序和使用環(huán)節(jié)進(jìn)行全面剖析和研究，重點(diǎn)就可能造成電池突然自燃的顆粒雜質(zhì)異物缺陷問(wèn)題（焊渣、粉塵、顆粒雜質(zhì)等，粒徑一般在幾十到幾百微米級(jí)別）展開了研究。為了研究成果能夠指導(dǎo)產(chǎn)業(yè)實(shí)際，該項(xiàng)研究并不是在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，而是選擇了在電池試制線上，并且是大容量動(dòng)力電池，而不是實(shí)驗(yàn)室中常用的微型電池。如圖1所示，在電池試制線上的一個(gè)裝配工序，人為故意在一些電池半成品中分別植入不同粒徑的異物后，重新投入試制線，并監(jiān)控這些人為制作的異物缺陷電池在試制線后續(xù)的所有數(shù)據(jù)和狀態(tài)變化。通過(guò)對(duì)出現(xiàn)異常情況的電池拆解，揭示了不同粒徑大小異物對(duì)電池的影響情況和規(guī)律。
圖1 異物缺陷電池制作過(guò)程
將在試制線上人為制作的缺陷電池進(jìn)行了常規(guī)老化循環(huán)充放電測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)試過(guò)程中無(wú)任何熱濫用、機(jī)械濫用、電濫用等操作，其中一個(gè)異物缺陷電池（電池A）在前11圈的循環(huán)中數(shù)據(jù)無(wú)異常，但在第12圈的恒流充電階段發(fā)生了突然自燃。如圖2所示，根據(jù)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，根據(jù)基于傳統(tǒng)一致性(單體間電壓差異、溫度差異、SOC差異等)的診斷算法無(wú)法實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警，作者提出了一種面向電池全生命周期的安全預(yù)警方法，不受單體間不一致性的影響，根據(jù)該次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可實(shí)現(xiàn)提前4分鐘的預(yù)警。
圖2 恒流階段突然自燃電池?cái)?shù)據(jù)分析
3. 電池內(nèi)短路熔斷現(xiàn)象、復(fù)現(xiàn)和預(yù)警
在另一個(gè)缺陷電池（電池B）的常規(guī)老化循環(huán)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，數(shù)據(jù)顯示電池在一次恒壓充電過(guò)程中出現(xiàn)了電流很快上升又很快恢復(fù)的現(xiàn)象，為了確定電池內(nèi)部情況，作者對(duì)電池進(jìn)行了CT觀測(cè)和拆解分析，從而揭示了電池內(nèi)短路熔斷現(xiàn)象，如圖3所示，即異物受極片膨脹刺破隔離膜和絕緣膜后，引發(fā)了鋁殼與最外側(cè)負(fù)極片的短路（電池四種內(nèi)短路類型中最為嚴(yán)重的短路類型），短路電流造成電池局部溫升，高溫使得絕緣膜熔化和內(nèi)短路回路熔斷，電池又恢復(fù)了正常的現(xiàn)象。
圖3 電池內(nèi)短路熔斷現(xiàn)象
此外還發(fā)現(xiàn)有一個(gè)缺陷電池（電池C）在循環(huán)到第309圈時(shí)發(fā)生了內(nèi)短路熔斷現(xiàn)象，作者為了研究?jī)?nèi)短路熔斷電池的安全性，讓其繼續(xù)循環(huán)，該電池在第417圈時(shí)發(fā)生了突發(fā)自燃，這說(shuō)明發(fā)生過(guò)內(nèi)短路熔斷的電池依然具有再次內(nèi)短路的風(fēng)險(xiǎn)，作者也提出了電池內(nèi)短路熔斷故障篩查和預(yù)警的方法，并建議對(duì)于已經(jīng)發(fā)生過(guò)內(nèi)短路熔斷的電池需要進(jìn)行報(bào)廢處理。
圖4 電池內(nèi)短路熔斷后再次發(fā)生熱失控的數(shù)據(jù)情況
圖5 電池發(fā)生突然自燃后的殘骸
4. 總結(jié)
不同于以往用針刺、擠壓、過(guò)充、外短、泡水、外部加熱等濫用行為觸發(fā)的電池?zé)崾Э?，也不同于通過(guò)在電池內(nèi)部植入記憶合金、低熔點(diǎn)合金、石蠟等物質(zhì)（這些物質(zhì)不可能在電池實(shí)際生產(chǎn)制造過(guò)程中被混入）觸發(fā)的電池?zé)崾Э?，作者首次?fù)現(xiàn)了電池在正常使用情況下自引發(fā)的突發(fā)型熱失控，更加接近于實(shí)際生活中出現(xiàn)的電池突然自燃。另外，還復(fù)現(xiàn)了電池在正常使用情況下自引發(fā)的內(nèi)短路熔斷現(xiàn)象。這項(xiàng)研究證明了電池內(nèi)部特殊位置的顆粒雜質(zhì)異物缺陷是引發(fā)電池突然自燃的罪魁禍?zhǔn)祝沂玖水愇锶毕菀l(fā)電池內(nèi)短路和熱失控的演化過(guò)程和影響規(guī)律，提出了突然自燃的預(yù)警方法和防控方法。
該研究工作是清華大學(xué)歐陽(yáng)明高院士團(tuán)隊(duì)與蜂巢能源科技股份有限公司合作完成，研究成果獲得2項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)，在國(guó)際交通電動(dòng)化雜志eTransportation上發(fā)表，雙方從材料、單體設(shè)計(jì)、產(chǎn)品質(zhì)量控制、安全預(yù)警、熱管理等方面提出了針對(duì)電池突然自燃防控的電池全生命周期整體解決方案，并在蜂巢能源電池產(chǎn)品上得到應(yīng)用，全方位保障電池安全。
圖6 電池突發(fā)型熱失控防控專利
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Kong, X., L. Lu, Y. Yuan, Y. Sun, X. Feng, H. Yang, F. Zhang, J. Zhang, X. Liu, X. Han, Y. Zheng and M. Ouyang. Foreign matter defect battery and sudden spontaneous combustion. eTransportation. 2022;12. doi: https://doi.org/10.1016/j.etran.2022.100170.
