电池热失控的重要原因分析

电池热失控，究其原因还是内部出现了短路和过充的现象。比如涂层，电解液分布不均、电极间距不均会引起电流分布不均从而导致局部过充；在循环过程中正极性能衰竭过快，也会导致过充；另外BMS死机或者功能障碍、充电继电器不能正常工作，这些都会导致过充。内部短路同样复杂，电解液分布不均导致局部析锂；正极材料中的金属杂质，氧化后在负极表面还愿；充放电的反复体积变化等等因素都是短路的隐患。同时，我们无法在工艺层面保证清除所有的安全隐患，就像世间不会有两片相同的叶子相同。

锂离子电池副反应的安全性隐患是其电化学体系所决定的，并伴随电池比能量提高而变得愈加严重，即便再出色的电池管理系统（BMS）也无法从根本上解决锂离子动力锂电池的安全性问题。同济大学教授叶际平也在演讲中表示，BMS一个很大的问题就是不能像脑神经跟器官一般了解冷暖自如，BMS能够控制电池，但是电池里面的材料变化它无法反馈到BMS里面去。

如何提升单体电芯的安全性能？

尽管锂电安全无法根治，但却是可控可防的，正确面对并积极探索一些新的安全性技术，将有利于促进电池技术进步，比如提高材料/界面热稳定性，开发单体自激发热保护技术，以及系统热扩展防范技术，就可以有效改善电池系统的安全性。以下为艾新平教授在电芯安全层面的研究，可供读者参考。

表面包覆。正极的热分解和它引起的析氧重要在于它和界面（电解液）的反应，于是我们可以在正极活性表面包覆热稳定的保护层。比如在高镍的正极表面包覆磷酸膜或者磷酸锂以后，可以减少高镍材料与电解液的直接接触，从而降低副反应的强度和产热。常见的包覆材料包括磷酸盐、氧化物、氟化物，也可以是一些聚合物。

构建浓度梯度。高镍正极的不安全，除了本身的热稳定性不好以外，更重要的是镍对电解液的氧化分解用途非常强，而材料本身的放热量并不是那么大，但是加上电解液以后，它的产热温度和产热量是急剧提高的，原因就是电解液的界面反应占了很大的部分。假如我们将高镍作为核，用一些低镍含量的材料作为壳，让它内外有一个浓度梯度，这样就有助于降低这个材料界面的反应活性，提高电池安全性。

提高SEI膜的稳定性。上文提到热失效往往是从负极SEI膜的分解开始的，假如我们采用一些方式能提高SEI膜的分解温度，提高热稳定性，对电池安全性将起到至关重要的用途。现在的研究表明，一些有机脂类，一些有机磷酸盐，甚至一些含氟的锂盐，他们都是可以有效的来提高负极SEI膜热稳定性的，提高它的分解温度。

建立单体自激发热保护。它的技术原理是利用温度敏感材料切断危险温度下电极上的电子传输或离子传输，甚至关闭电池反应，从而终止产热。比如PTC材料，随着温度的升高材料会从一个良好的导电态变成一个绝缘态，切断电路。将PTC材料作为极流体的涂层或者作为电极的导电剂或者作为活性物质的表面修饰层，即可有效的实现单体电芯的自发热保护。与之类似的还有一种微球修饰隔膜，温度升高时微球发生一个熔化，封闭隔膜上的孔道导致电池反应关闭。

防止热失控的诱发和蔓延才是工作重点

尽管艾新平教授介绍了多种提高单体电芯安全性的思路，但正如前文所提到的，我们始终无法从工艺上保证清除所有的安全隐患。与其在电芯的工艺层面做过多纠结，不如将工作重点放在系统层面，即防止单体发生热失控以后出现系统的功能障碍，甚至是灾难性事故。

我国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高也表示，当前锂离子电池从单体层面完全杜绝热失控是不太现实的，但我们可以从电池系统的热机电设计与控制设计来防止诱发和蔓延，即便单体出现热失控也不会发生事故。

确实，电芯的失效只是整个电池系统安全隐患的一小部分。站在模组的角度，由于电芯结构、工作方式和环境等多方面的因素会使得电芯的安全隐患加倍的体现出来，因此动力系统的结构设计、控制系统、生产管控的严密性等等才是更加重要的部分。