动力电池的安全测试与滥用测试解读

动力电池的安全性是新能源汽车发展中备受关注的热点，图1是TUV的关于动力电池安全方面测试项目，大致分为安全测试(Safety Testing)和滥用测试(Abuse Testing)。其中挤压(crush)测试和针刺(nail penetration)测试属于滥用测试。这两项测试对电池的破坏性很大。挤压是直接对电池施加外部机械力，迫使电池发生形变，从而造成电池内部各部分的机械变形，产生外部\内部结构组织破坏(例如隔膜断裂、刺穿)，产生内部短路，促发可能的热失控。针刺是外部金属异物直接刺入电池内部，刺穿电池内部组分，同样造成内部短路，促发可能的热失控。这里通过一些例子来看一下这两个测试。



图1 电池安全和滥用测试项目

动力电池的安全性是新能源汽车发展中备受关注的热点，图1是TUV的关于动力电池安全方面测试项目，大致分为安全测试(Safety Testing)和滥用测试(Abuse Testing)。其中挤压(crush)测试和针刺(nail penetration)测试属于滥用测试。这两项测试对电池的破坏性很大。挤压是直接对电池施加外部机械力，迫使电池发生形变，从而造成电池内部各部分的机械变形，产生外部内部结构组织破坏(例如隔膜断裂、刺穿)，产生内部短路，促发可能的热失控。针刺是外部金属异物直接刺入电池内部，刺穿电池内部组分，同样造成内部短路，促发可能的热失控。这里通过一些例子来看一下这两个测试。



图2 LFP 50Ah电池的针刺测试

先看一下LFP/C电池的测试。LFP材料的热稳定性相对较高，在滥用测试中有助于抑制或延缓热时空的发生。这里是ELIIY Power的50Ah(106Wh/kg)电池的一个案例，由TUV做的针刺测试。针刺刺入的位置在电池表面的中心。从钢针刺入的整个过程来看，该电池没有观察到任何异常现象，显示出较高的安全性(图2a-2c)。



图3 钢针粗细对针刺结果的影响

关于针刺试验，EC Power利用仿真技术研究了钢针的粗细对NCM电池(5Ah，120Wh/kg)针刺测试结果的影响。有一组数据可供参考：20mm的钢针，针刺位置温度达到150摄氏度需要150秒；10mm钢针，针刺位置温度达到150摄氏度需要75秒；5mm钢针，针刺位置温度达到150摄氏度仅仅需要2秒(图3)。说明采用较细的钢针，在针刺位置的局部温升相对更快，更加容易造成电池热失控。





图4 LFP 50Ah电池的挤压测试

图4同样是EIILY Power的50Ah LFP电池的挤压测试，挤压位置也在电池中间位置。从挤压头挤压到电池厚度一半左右的位置，电池没有观察到任何异常现象(图4a，4b)。继续挤压时，可以看到电池内部电解液喷射出来(图4c)；继续挤压时，开始出现少量白烟(图4d)；挤压到图4e位置时，观察到电池壳体开始发生破裂；图4f是100%挤压变形了，电池壳体已经被挤压破裂成两半，并且可以观察到在右边半块电池表面的塑料包装膜开始受热收缩，说明此时电池内部温升较快。尽管如此，在整个挤压过程中，电池没有出现着火、爆炸现象，显示出较好的安全特性。





图5 挤压测试失败案例

图5是一个单体电池的挤压测试的失败案例。从挤压头开始挤压电池，电池就有少量白烟从顶部冒出(图5b)，接着就开始喷射出大量白烟(图5c)，紧接着在第六秒钟就喷射中大量火星和火焰，电池完全着火爆炸，数秒钟之内，着火爆炸产生的气体、烟雾、飞溅出来的残留物就弥漫到整个测试房间内。

我们看一下锂离子电池在热失控后从电池内部都释放出哪些气体。当然，由于每种电池的组成、结果、化学状态都存在差异，释放出来的气体各有差异。通常，这些气体都是可燃的，当热失控造成电池内部温度快速上升到一定程度，就有可能触发燃烧。这里以一个40Ah NCM/C软包电池为例说明，它的电解液为LiPF6/EMC/DEC/EC。在充满电的情况下，通过针刺出发热失控，从而采集分析释放的气体成分。分析结果显示，释放出来的气体成分主要包括：

· EMC：碳酸甲酯乙基酯
· DEC：碳酸二乙酯
· EC：碳酸乙烯酯
· Benzene：苯
· Toluene：甲苯
· Styrene：苯乙烯
· Biphenyl：联苯
· Acrolein：丙烯醛
· CO：一氧化碳
· COS：硫化碳酰
· Hydrogen fluoride：这是氟化氢

上述这些物质中，有些是气体，有些是挥发的液体。前三种物质是电解液本身挥发出来的，后面几种物质都是在热失控过程中形成的新物质。上面所有物质都已具有一定毒性的，在一定温度下都是可燃的。

表1 气体成分



下面再看一个传统消费类电池，电池材料为LiCoO2/C，2.1Ah软包电池，能量为7.7Wh。触发热失控后通过设备采集气体进行分析，得到表1结果。这里的气体成分包括：

·一氧化碳、二氧化碳、氢气
·甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、丁烷、异戊烷、异戊烷、己烷、乙烯、丙烯、苯、甲苯、苯乙烷

其中，在100%SOC和150%SOC下，体积含量最多的是一氧化碳、二氧化碳和氢气。主要成分是一氧化碳、二氧化碳和氢气，其余是烷烃、烯烃、苯等有机物，这些也可使可燃气体。

同时测量释放出来的气体的含量(表2)，从50%SOC到100%SOC，热失控后释放出来的气体含量增加了3倍多。在150%SOC，释放的气体含量达到了50%SOC下的7.5倍，一个小小的电池竟然可以释放出这么多的气体。

动力电池产品关乎用户的生命安全，其安全设计和要求在整个电池系统设计中处于最高优先级。这需要选择合适的电池材料、优化单体电池设计、强化模组和系统的电气安全设计、应用FMEA工具综合考虑/分析各种安全失效模式和应对措施，从而设计出高性能、高安全的动力电池产品。