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新能源汽车的锂电池为什么会爆炸

2015-06-11 09:01:48  新能源汽车报

  以锂电池作为储能装置的新能源汽车,目前已经成为了市场主流。然而,随着新能源汽车的推广和应用,锂电池自燃的问题和汽车使用安全已经成为大家担心的问题。

  究竟锂电池为什么会自燃?电动汽车是否可以安全、放心地使用?

  自燃原理

  锂是世界上最活泼的金属。锂离子电池体积小容量密度高,高能量密度的特性让其成为电动汽车的首选。锂离子电池在工作中是利用锂离子得失电子和迁移聚集来实现电能的储存的。

  在电池充电时,正极里的锂原子会丧失电子成为锂离子,产生电势差。电解介质中的锂离子在电势差的作用下,向负极迁移聚集。放电时,整个程序倒过来。整个工作过程是由电极内的锂金属得失和电解液中的电子、锂离子的迁移来共同完成的。

  然而,锂的化学特性太活泼。锂金属暴露在空气中,会与氧气产生激烈的氧化反应,从而产生燃烧、爆炸。

  因此,在锂电池的实际应用中,科学家们千方百计地防止电解液中的锂离子向锂金属转化,并把金属锂锁在石墨或锂化合物中,人们常常听说的,磷酸铁锂、钴酸锂就是储存锂原子的材料。

  同时,为了防止空气进入电池内部,还采取了一系列的措施防护措施。这使得锂金属不会与氧气接触而发生爆炸。

  在使用中,锂电池之所以会发生自燃,就是由于防护措施不到位或产生了严重的外力破坏,导致防护失效,而使得金属锂与空气接触所造成的。

  常见的防护措施

  外壳防护,为了防止空气进入,锂电池都被封装在密闭容器冲,并为了防止外力破坏通常配以不锈钢外壳和铝合金外壳。例如,特斯拉的电动汽车,甚至采用了钛合金防护板,以防止汽车使用中,尤其是交通事故中对电池容器的损伤。

  隔膜阻断保护,在防止外力破坏的同时,还要防止来自电池内部产生的破坏。

  通常为了防止电池的正负极直接碰触而短路,电池内会有一层隔膜,一方面将正负极隔开,一方面又允许带电离子通过。

  然而,在锂电池中,隔膜还承担着另一项防护职能。在电池温度过高时,隔膜空隙会自动关闭,让锂离子无法穿越,从而终止整个电池的反应。从而防止了电池由于温度过高,使得其中的电解液气化产生高压,破坏电池密封结构的问题。

  过充电压防护,不仅空气要被阻隔在外,还要防止金属锂从电极中外泄。

  科学家们通过电极材料的纳米空隙和材料晶格机制,来存放和锁住在充放电中形成的金属锂。

  这样一来,即使是电池外壳破裂,氧气进入,也会因氧分子太大进不了这些细小的储存格,而避免自燃的产生。

  然而,用过高的电压或充满后继续过长时间的充电,会对锂电池产生十分危险的损害。

  锂电池充电电压在高于额定电压(一般是4.2V)后,如果继续充电,由于负极的储存格已经装满了锂原子,后续的锂离子会堆积于负极材料表面。这些锂离子由于极化作用,会形成电子转移,形成金属锂,并由负极表面往锂离子来的方向长出树枝状结晶。

   这些没有电极防护的金属锂一方面极为活泼,容易发生氧化反应而发生爆炸。另一方面,形成的金属锂结晶会穿破隔膜,使正负极短路,从而引发短路,产生高 温。在高温下,电解液等材料会裂解产生气体,使得电池外壳或压力阀鼓涨破裂,让氧气进入,并与堆积在负极表面的锂原子反应,进而发生爆炸。

  锂电池充电时,一定要设定电压上限和过充保护。在正规电池厂家出产的锂电池中,都装有这样的保护电路。当电压超标或电量充满时自动断电。

  其实自燃并不容易

  在品质合格的外壳、隔膜、电路重重防护下,锂电池发生自燃其实绝非易事。

   尤其在无机材料锂电池中,例如,磷酸铁锂电池,由于电池不像三元锂电池中采用了有机材料,即使电池内部发生了材料破坏和短路,产生的高温也不会使得无机 材料分解而产生高压气体,进而爆炸自燃。在实验中,合格的磷酸铁锂电池即使被投入柴火中(柴火温度低于600℃),也不会发生爆炸和自然的情况。

  同时,与新能源汽车发展前期厂家对车辆实际使用中防护措施认识不到位的情形相比,目前,经过数十年的摸索和全球百万辆新能源汽车的实际使用,从电池厂家到汽车厂商已经积累了足够的经验。

  锂电池的外壳防护强度得到大大加强,即使在整车解体这样的严重交通事故情况下,电池的防护依然可以有效。

   在电池隔膜的选用中,厂家也充分意识到采用带自保护功能隔膜的重要性。目前,一般优质的锂电池产品都已经使用了这种技术。而对于防过充电子保护装置的应 用,则早已成为了国家强制的标准。合格的电子保护装置和成熟的电池组管理系统,已经使得新能源汽车锂电池发生自燃的几率大大降低。

  以目前导致新能源汽车发生自燃的案例来看,没有一个是由于正常行驶状况下电池组自燃爆炸造成的。更多的新能源汽车锂电池的爆炸自燃来自于极为严重的交通事故和车内电器设备的不当改装。在近千度的高温炙烤靠下,锂电池才最终被引燃。

  对于消费者来讲,新能源汽车的锂电池总体是十分安全的。但是,需要防范的是,在产业大爆发的情况下,个别厂家粗制滥造和产品价格战带来对电池防护的忽视,以及对于电动汽车的非法改装所带来的隐患。

编辑:陈苏婉