表2列出了该款锂离子动力电池热失控的7个分阶段的特征及相应的机理。结合图5与表2,可以解释热失控后电池冒烟、起火与爆炸的情况。对于冒烟的情况,在阶段V,如果电池内部温度低于正极集流体铝箔的熔化温度660℃,电池正极涂层就不会随着反应产生的气体喷出,此时观察到的会是白烟;而如果电池内部温度高于660℃,正极集流体铝箔熔化,电池正极涂层随着反应产生的气体大量喷出,此时观察到的会是黑烟。对于起火的情况,热失控事故中的起火一般是由于电解液及其分解产物被点燃造成的。所以,从阶段II 开始,从安全阀泄漏出来的电解液就有可能被点燃而起火。
从燃烧反应的3要素(可燃物、氧气、引燃物)来看,可燃物主要是电解液;氧气在电池内部存在不足,因此电解液需要泄漏出来才会发生起火;引燃的主要原因是喷出的气体温度高于其闪点。对于爆炸的情况,爆炸一般表现为高压气体瞬间扩散造成的冲击。电池内部具有高压气体积聚的条件,而安全阀则是及时释放高压积聚气体的关键。安全阀体如能在电池壳体破裂之前开启,并释放足够多在热失控过程中产生的高压气体,电池就不会发生爆炸;安全阀体如不能及时开启,就可能会发生爆炸事故。
事故触发的分类
造成锂离子动力电池热失控事故的触发原因很多,根据触发的特征,可以分为机械触发、电触发和热触发3类。如图6所示,3类触发形式具有一定的内在联系。一般地,机械触发会引发短路并造成电触发,而电触发产热造成了热触发,热触发造成的热失控是事故触发的核心。其他触发形式的机理分析都离不开对于热触发机理的研究。
机械触发包括挤压、针刺、跌落等,主要特征是电池受力发生形变;
电触发包括外短路、内短路、过充电、过放电等,主要特征是触发过程中存在电流流动;
热触发包括异常加热、火焰加热等,主要特征是电池持续吸收环境中的热量而温度升高。
安全性测试标准中规定了根据事故分析所获得的详尽的各类事故触发因素。通过了安全性测试标准的电池发生触发事故的概率也大大降低。但是,由于实际工况非常复杂,事故触发的原因可能与安全性测试标准中的规定的情况有所出入。这解释了为什么表1中所列的各类动力电池系统均通过了安全性测试标准,事故仍然可能发生。(未完待续)