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电动汽车爆燃主要发生在动力电池上
来源:雷洪钧 发布时间:2019-06-24

2019年4月以来,媒体报道了国内电动汽车已经发生了十几起燃烧事故。最近的6月18日一物流园区内也发生了新能源汽车起火爆燃事故。基本归纳起来是动力电池的爆燃事故。媒体的报道,给人的印象是电动汽车是不安全的。如果动力电池不安全,为什么要发展动力电池汽车呢?下面通过具体分析,给用户一个正确的概念,锂离子电动汽车总体是安全的,不安全事件的发生是可以预防的。

一、从元素周期表来认识锂及锂离子

按中国传统理论,世界物质是由有金、木、水、火、土5种元素组成。而中学的化学知识告诉我们,世界的物质是由112元素组成。锂在元素周期表中的位置,如图1所示。锂是金属元素,是碱金属。化学元素周期表是根据原子序数由小至大排序的化学元素列表。这里元素是原子层层面的,而水(H2O)是分子层面的,是由氢原子和氧原子组成的,

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锂(Li)是一种银白色的金属元素,质软,是密度最小的金属。锂电荷密度很大并且有稳定的氦型双电子层,使得锂容易极化其他的分子或离子。同时锂又是已知元素(包括放射性元素)中的金属活动性(注意不是金属性,已知元素中金属性最强的是铯)最强的。什么是离子呢?在化学反应中,金属元素原子失去最外层电子,非金属原子得到电子,从而使参加反应的原子或原子团带上电荷。带电荷的原子叫做离子,带正电荷的原子叫做阳离子,带负电荷的原子叫做阴离子。

锂离子电池是利用锂离子得失电子和迁移聚集,来实现电能的储存。锂离子电池有体积小、高能量密度的特性,是目前电动汽车的首选电池。

二、离子电池的充放原理及爆燃条件

(1)离子电池的充放电基本原理

离子电池组成图,如图2所示。

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(a)在电池充电时,正极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。

(b)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。也就是说,锂离子动力电池是二次电池,其中的电能是外部冲进去的。或者说,电网的电能变成了动力电池里面的电化学能量了。

(2)离子电池爆燃条件

(a)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。在动力电池中,却是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。(b)给锂电池充电,电压高于额定电压(一般是4.2V),负极储存格已装满了锂原子。如继续充电,后续的锂离子,会堆积于负极材料表面,由于极化作用,会形成电子转移,负极表面往锂离子来的方向,会长出树枝状结晶,形成金属锂

(c)金属锂结晶能穿破隔膜,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。

一句话,锂原子与空气中的氧气接触,就会发生激烈的化学反应,即发生爆燃。如图2所示。

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三、防止离子电池爆燃的措施

(a)采取有效措施,防止空气中的氧气进入动力锂离子电池单体内部;

(b)采取有效措施,将锂离子电池单体内部的已经极化的锂原子隔离;

(c)采取有效措施,将极化锂原子单独存起来。

一句话,如果能将锂原子与空气隔离起来,离子电池的爆燃就不会发生了。如图4所示。

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四、工程上是如何采取有效措施的?

(a)外壳防护。防止空气进入,工程上,锂电池都被封装在密闭容器中。例如,特斯拉的电动汽车,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。   (b)隔膜阻断保护。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。如图5所示

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(c)采用纳米孔隙和材料晶格,存放和锁住在充放电中形成的金属锂。主要意图是,不让太大的氧分子进入这些细小储存格,而避免爆燃的产生。如图6所示。

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(d)充电时,设定电压上限和过充保护。离子电池必须配电池管理系统,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。

五、为什么离子电池还是发生爆燃呢?

离子动力电池充电频次比较高,电池包的单体比较多,目前技术上还做不到长期保障单体电池一致。也就是说,不能保证单体电池一致性,个别电池单体过充客观上的是存在的,即极化金属锂产生。动力电池内部,有产生金属锂现象,离子电池爆燃的概率也是客观存在的。

这样总结目前动力电池发生爆燃的原因,一是预防措施不到位,二是预防措施质量不高。具体地说。

(a)动力电池质量不高。质量高的动力电池发生爆燃的概率很低,或者说不会发生爆燃事件。严把质量关是生产厂家的应尽责任和任务。

(b)如果发生特别重大交通事故,比如说,超高速度发生交通事故,动力电池受到严重破坏,车辆的机械结构,受到严重变形。

(c)动力电池系统长期不维护。小毛病,不注意修正。

(d)操作层面,没有按说明书规定的要求做。

六、提高离子电池产品质量途径和方法

(a)国家强制的标准要求,电池隔膜要有自保护功能。否则不能用。这是电池单体层面的技术安全措施。

(b))整车厂家一定选用成熟的电池组管理系统。

(c)合格的电子保护装置,比如过充电保护、过放电保护、过电流保护以及短路保护等,必须要工作状态保持有效。一旦发现无效了,一定要及时维护。

(d)为了提高动力电池安全性及保险系数,目前正在研究在探讨热管理系统的推广应用。

六、降低离子电池爆燃的概率,靠大家共同努力

客观地说,目前中国电动汽车发生爆燃的概率,对电动客车而已已经比较低了,主要原因是电动客车使用的是磷酸铁锂电池,其安全相对性要高一些。磷酸铁锂电池研发和生产时间超10年多了,其产品质量已经稳定。运营客车安全管理比较到位,有运营质量保障体系,即使发生问题,提前解决了。但是乘用车就不一样了。一是基本上采用是三元电池,其研发和生产时间不长,经验积累相对少一些;二是乘用车驾驶员,安全意识要差一些,缺少监督管理环节,三是超速度驾驶,发生重大交通事故,诱发了离子电池燃烧。

总之,传统汽车、电动汽车,如果发生重大交通事故,诱发燃烧事件,目前还没有办法避免。如果上面提到的安全措施,一是做到位,二是做好,电动汽车整体是能保证安全的。

安全无小事,靠大家共同努力。

责编:孙建奋

关键词标签:电动汽车|电动汽车自燃|雷洪钧

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