动力电池热失控诱因

根据事故车辆所处的状态可将热失控原因归结

为机械诱因、电诱因、热诱因及内短路,彼此间因果

关系如图１所示[３,４].常见的动力电池热失控的过

程,首先是电池组内某一单体电池因机械滥用、电滥

用、热滥用等因素导致其发生局部的剧烈升温,积累

大量热量的单体电池造成的高温及起火将会引发周

围单体电池发生热失控,从而导致热失控现象在电

池组内部蔓延.

图１动力电池热失控的事故原因及相关滥用诱因[３,４]

２．１机械诱因

热失控的机械诱因主要分为挤压、针刺、碰撞

等[５,６].研究表明,在外力挤压状态下电池内部的

隔膜会出现断裂,造成的正负极短路会引发剧烈的

电化学反应,外电路表现为电压下降.在这一过程

中,随着持续挤压,电池内部材料会经历刚度增加至

极限、电极材料出现裂纹、隔离断裂、活性物质剪切

失效、活性材料从集流体上脱落,从而形成内短路.

有研究表明,单体电池中正极材料的刚度最大,在外

力挤压的状态下最先出现结构问题.与挤压载荷类

似,针刺载荷导致的直接结果也是动力电池的在针

刺点短路,短路区产生的大量焦耳热会在电池内部

形成局部高温热区.在针刺实验过程中,针刺的位

置、深度、尺寸及运动状态都会影响动力电池内短路

形成的路径.此外,碰撞引起电池组发生的壳体变

形破损导致的电解液泄露问题也会增加电池组外短

路的风险,从而提高动力电池失效的概率.

２．２电诱因

电诱因导致动力电池热失控包括外短路[７]、过

充电[８]、过放电[９],三者引发热失控的过程及机理完

全不同.外短路导致热失控的主要原因是欧姆热引

发电池内部温度升高和外电路电流增加.Spotnitz

等[１０]总结了由外短路引起热失控的机制,认为热失

控发生的主要原因是欧姆热引发电池内部温度升高

和外电路电流增加.在车载动力电池的使用过程

中,外短路导致热失控发生的情况比较常见,当电池

组内混入导电介质或因振动导致电池组错位接触到

非绝缘组件时,均会引发外短路.

过充电是指充电过程中,电池组内某一单体电

池在超过截止电压后仍继续充电,造成电池电压高

于截止电压.过充引发热失控的原因分为两个方

面:一是产生大量的焦耳热,另一个是副反应产生的

大量反应热.焦耳热主要来自过充电导致的电池内

阻急速增加,Saito等[１１]观察到大倍率充电过程中

发热量更为严重.此外,Lin等[１２]揭示了过充电引

起副反应的机制,即过充电会导致过量的锂移动到

负极诱导锂枝晶生长,正极则因锂离子重度脱出而

引发晶格塌陷并释放大量 O

２

在较高温度下更

容易与电解质发生反应进而释放出更多气体,并伴

随产生反应热.Zeng等[８]以 Li

CoO

２

为例,研究发

现x＝０．１６是正极材料晶格坍塌的临界点,还发现

电池内部电解质的量与热失控发生时热量和气体产

生量正相关.Xu等[１３]以 LiFePO

４

为例做过充电测

试,以１０％过充电容量循环,１０次循环后容量跌为

０;在循环后的正极材料表面观察到铁金属颗粒.当

前研究对过充电引起容量下降的机理仍处于研究初

期,相关工作仍需进一步推进.

过放电引发热失控的机理是电池发生内短路.

因为制造或使用不当会导致电池间的不一致性,在

串联电池组内,电压最低的单体电池会被其他串联

的单体电池强行放电,导致其电压变成负值.在单

体电池内部,过放会导致大量锂离子从负极脱出嵌

入正极,固体电解质界面膜 (Solid Electrolyte

Interphase,SEI)发生分解[９] ;与此同时,过放导致

正极电位不断降低而负极电位不断升高,当负极电

位约为３．４V 时,负极铜集流体开始发生溶解;溶解

的铜离子通过隔膜移动到正极并沉积形成铜枝晶,

造成电池内短路的发生.Guo等[１４]研究发现溶解

的铜离子会在正极侧形成具有低电位的铜枝晶,不

断生长的铜枝晶极易刺穿隔膜导致严重的内短路.

故障电池组再次充电时,锂离子从正极的脱出阻力

变大造成内阻的急剧增加,同时会消耗大量的锂离

子形成新的SEI,导致容量快速衰减.

２．３热诱因

热诱因导致的热失控一般是由机械诱因和电诱

因发展而来的,电池组内元件之间的接触问题也是

热诱因发生的原因[１５].例如,电诱因中电池组的过

充和过放均会导致内部产热不一致,使电池组出现

温度不均匀的情况.电池组内单体电池之间的接

触、电池组之间连接元件的接触均存在接触电阻,当

某个接触点出现问题很有可能导致电池组内阻增

加,从而出现局部过热的危险情况.Zheng等[１６]和

Taheri等[１７]研究发现连接器接触松动和电极—集

电极接触不良均会增加热失控发生的可能性.此

外,研究者发现电池内过热导致正极材料释放的氧

气能与还原性的 LiC

发生反应并伴随较高的热量

产生,证明了在未发生严重内短路的情况下,电池内

副反应的发生也是热失控的潜在危险[１８].

２．４内短路

内短路是指单体电池内因隔膜失效导致的正负

极直接接触,在电势差及温度影响下引发剧烈的电

化学反应并伴随大量热的产生.内短路是热失控诱

因中的一个共性因素,前面提到的机械、电、热等诱

因导致热失控的过程中均会经历内短路[１９,２０].因

此,电池内短路发生的原因可分为三种:(１)电池外

部诱因导致内短路,例如挤压等机械原因造成的隔

膜形变和撕裂,过充/放等电滥用形成的枝晶刺穿隔

膜,和热滥用导致高温引发的隔膜收缩和形变.

(２)电池内杂质缺陷导致内短路,例如电极材料中

的金属杂质、组装环境中的粉尘、模切时未及时消除

的毛刺等问题.(３)非常规使用导致内短路,例如

电池组频繁的在过高/低的温度或者快充条件下使

用,会导致负极材料出现锂枝晶刺穿隔膜从而造成

电池的内短路.

对应的解决办法：储能用复合气体在线监测装置采用

高度集成的方式，将 DMC、CH4、烟雾和温度等

多种参数集成在一起，对储能锂电池热失控特征量

进行同步、全方位的精准监测与分析，可有效实现

锂电池热失控的监测和报警。该装置可广泛应用于

储能电站、工商业储能和新能源汽车等场合。

GB/T 42288-2022《电化学储能电站安全规程》

5.6.4 规定: 电池室/舱内应设置可燃气体探测器、温感探测器、烟感探测器等火灾探测

器，每个电池模块可单独配置探测器

特点**:**

★ 多种报警配置

可编程报警策略，支持配置多种报警逻辑

★ 响应速度快

符合空气动力学设计，全方位感测，响应速度快

★ 接入输出方便

接口丰富，多种数字和开关量输入输出

★ 支持自诊断

双温度传感器，冗余设计，支持自诊断

★ 可同时检测

最多可同时检测 CH4、烟雾、温度、DMC

★ 可定制

可根据客户需求定制开发其他多种气体监测

★ 设备稳定

安装方式多样，稳定性高，无漏误报

★ 低功耗

低功耗设计，满足多场景安全周期监测

应用范围：