锂离子电池安全性问题

sci导师经验分享：锂离子电池常见问题、经典案例及解决思路汇总

锂离子电池是目前最常用的电池，广泛应用在各种电子产品和电动车辆中。然而，在使用过程中，常常会出现一些问题，影响电池的性能和寿命。在这里，我将分享一些锂离子电池常见问题、经典案例及解决思路，希望对大家有所帮助。

1. 容量衰减问题

容量衰减是锂离子电池的一个常见问题，随着电池循环次数的增加，电池的容量会逐渐下降。这可能是由于电解液中溶解的锂逐渐损失、正极材料的结构变化、电解液的分解或者电极材料的脱层等原因导致的。为了延长电池的寿命，我们可以通过优化电池的设计、选择合适的材料和优化电池充放电控制策略来降低容量衰减的速度。

2. 过充和过放问题

过充和过放是锂离子电池的另一个常见问题，过充会导致电池发热、气体产生，甚至发生爆炸；而过放则会导致电池损坏，降低电池的寿命。为了避免过充和过放，我们可以通过添加合适的保护电路，控制充放电电压和电流以及定期对电池进行检测和维护来解决这一问题。

3. 电池老化问题

随着电池使用时间的增加，电池材料会发生老化，电池内阻会增加，导致电池容量下降、充电时间延长、电池温升增大等问题。为了延长电池的寿命，我们可以通过降低充放电速率、定期进行充放电循环、控制电池的工作温度等方法来减缓电池的老化速度。

4. 安全性问题 安全性问题是锂离子电池的一个重要考虑因素，虽然锂离子电池具有高能量密度和高工作电压的优点，但是一旦受到损坏或操作不当，就容易发生过热、短路、爆炸等安全问题。为了保证电池的安全性，我们可以通过加入保护电路、采用防爆设计、控制电池的温度和压力等方法来减少安全风险。

5. 充电速率问题

充电速率是影响锂离子电池充放电性能的一个重要因素，很多时候电池在快速充放电的情况下会产生热量增加、容量减少和寿命缩短等问题。为了提高电池的充电速率，我们可以通过优化电池材料、改进电池结构、调整充电控制策略等方法来提高电池的充电速率。

车用锂离子动力电池系统的安全性剖析 国家大力支持以电动汽车为主的新能源汽车新兴产业。然而以热失控为特征

的锂离子电池系统的安全性事故时有发生，困扰着电动汽车的发展。动力电池安

全性事故的常见形式及成因是什么？又该采取怎样的防范措施？小编带你一览

要点。

1 动力电池安全性问题

锂离子动力电池事故主要表现为因热失控带来的起火燃烧。如表1和图1

所示。

表1 近年发生的锂离子动力电池事故

图1 近年来部分锂离子动力电池事故

锂离子动力电池系统安全性问题表现为3个层次（图2）。

1）电池系统安全性的“演变”。即电池系统长期老化——“演化”（事故1、2、

3、5、7）和突发事件造成电池系统损坏——“突变”（事故4、6）。

2）“触发”——锂离子动力电池从正常工作到发生热失控与起火燃烧的转折

点。

3）“扩展”——热失控带来的向周围传播的次生危害。

图2 动力电池系统安全性问题的层次

2 动力电池安全性演变

2.1 “演化”与“突变”

电池系统长期老化带来的可靠性降低，演化耗时长，可以通过检测电池系统

的老化程度来评估电池系统安全性的变化；相比而言安全性突变难以预测，但是

可以通过既有事故的形式来改进电池系统的设计。

2.2 安全性演化机理

电池系统任何部件的老化都可能带来安全事故的触发，如事故1、7。除此

之外，电池本身的安全性演化主要表现为内短路的发展。电池内部的金属枝晶生

长是造成内短路的主要原因之一。值得一提的是，老化电池的能量密度降低，热

失控造成的危害可能会降低；另一方面老化电池更容易发生热失控。

图3 锂离子电池内部金属枝晶的生长与隔膜的刺穿 3 电池安全事故触发

3.1 热失控机理

经过演变过程，电池事故将会进入“触发”阶段。一般在这之后，电池内部的

能量将会在瞬间集中释放造成热失控，引发冒烟、起火与爆炸等现象。当然电池

安全事故中，也可能不发生热失控，热失控后的电池不一定会同时发生冒烟、起

火与爆炸，也可能都不发生，这取决于电池材料发生热失控的机理。

第６卷第１期　２０１７年１月　储能科学与技术　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓｔｏｒａｇｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．６　Ｎｏ．１　Ｊａｎ．２０ｌ７　锂离子动力电池安全性问题影响因素　谢潇怡　，王　莉　，　何向明　，一，张明轩　，李建军　（　清华大学核能与新能源技术研究院，　汽车安全与节能国家重点实验室，北京１０００８４）　摘要：影响动力电池安全性能的因素贯穿了一个动力电池从电芯选材到使用终结的生命周期始终，因此原因　复杂多样层次丰富。本文通过回顾从电芯材料本身、电芯的制造过程、电池集成中关于ＢＭＳ（电池管理系统）　和安全性方面的设计，到使用工况中影响锂离子电池安全性的因素，分析了电芯组成材料的晶体结构、电极电　势、性状，电芯制造过程中自动化程度、ＳＥＩ膜生长条件，电堆的集成设计以及电池在使用过程中面临的过度充　放电、恶劣温度、意外工况等滥用方式对锂离子电池安全性能的影响。提出了锂离子电池在各个环节下消减影　响安全性不利因素的方法，得出了需要重视电池集成和对电池发生热失控进行预案设计的结论。　关键词：锂离子电池；动力；安全性；影响因素　ｄｏｉ：５０．５２０２８￣．ｉｓｓｎ．２０９５－４２３９．２０　５６．００　５１　中图分类号：ＴＭ　９　５２．９　文献标志码：Ａ　文章编号：２０９５．４２３９（２０　５７）０　５．０４３．０９　Ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｌｉｔｈｉｕｍ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ＸＩＥＸｉａｏｙｉ　，ＷＡＮＧＬｉ　，ＨＥＸｉａｎｇｍｉｎｇ　Ｉ＿，ＺＨＡＮＧＭｉｎｇｘｕａｎ　，ＬＩＪｉａｎｊｕｎ　（１ｌｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＮｕｃｌｅａｒ　ａｎｄ　Ｎｅｗ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄ　Ｅｎｅｒｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　５　０００８４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｗｈｉｃｈ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｌｉｔｈｉｕｍ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｅｘｉｓｔ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｃｈｏｏｓｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｅｌＩ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｕｓｉｎｇ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ，ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｎｄ　ｏｆ　ａ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｌｉｆｅ，ＳＯ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎｓ　ａｒｅ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ．Ｒｅｖｉｅｗｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｃｅｌｌ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｔｈｅｍｓｅｌｖｅｓ，ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＢＭＳ（ｂａｔｔｅｒｙ　ｍａｎａｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ）ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｐａｒｔｓ，ｔｏｇｅｔｈｅｒ　ｗｉｔｈ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｆｏｒｍ　ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｗｈｉｃｈ　ｍａｙ　ｂｅ　ｔｈｅ　ｂａｒｒｉｅｒ　ｏｆ　ｓａｆｅｔｙ￣Ｗｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｗｈｉｃｈ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｓａｆｅｔ￣ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ／ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ／ｃｈａｒａｃｔｅｒ，ｔｈｅ　ｃｅｌｌ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ／ｇｒｏｗｉｎｇ　ｏｆ　ＳＥＩ，　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂａｋｅｒｙ，ｔｈｅ　ａｂｕｓｉｎｇ　ｌｉｋｅ　ｏｖｅｒ－ｃｈａｒｇｉｎｇ／ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ／ｈａｒｓｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／ａｃｃｉｄｅｎｔ．Ｐｒｏｐｏｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｗａｙ（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ）ｔｏ　ｍａｋｅ　ａ　ｓａｆｅｒ　ｂａｔｔｅｒｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：１ｉｔｈｉｕｍ　ｂａｋｅｒｙ；ｐｏｗｅｒ；ｓａｆｅｔｙ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒ　锂离子电池因为具备高能量密度、高功率密度　和长使用寿命的特点，在化学储能器件中脱颖而出，　在便携式电子产品领域已经技术成熟广泛应用了，　如今在国家的政策支持下，在电动汽车领域和大规　收稿１３期：２０１６．０４—０７，修改稿日期：２０１６　０６．１２。　基金项目：国家自然科学基金重大项目（Ｕ１５６４２０５），科技部重点基础研　究发展计划（２０１３ＣＢ９３４００Ｏ），科技部国际科技合作项目（２０１４ＤＦＧ７１５９０），　清华大学苏州汽车研究院（吴江）基金（２０１２ＷＪ．Ａ一０１）。　第一作者：谢潇怡（１９８２一），女，博士后，主要研究方向为锂离子电　池，Ｅ．ｍａｉｌ．．ｘｉｅｘｉａｏｙｉ０３２８＠１２６．ｃｏｒｎ；通讯联系人：何向明，副研究员，　主要研究方向为锂离子电池及其相关材料，Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｅｘｍ＠ｍａｉｌ．　ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ。　模储能领域的需求量也呈爆发式的增长Ｌ１之Ｊ。　锂离子电池在通常情况下是安全的，但是，时　有安全性事故的报道呈现在公众面前。比较著名的　有近几年的波音公司７３７和Ｂ７８７飞机电池着火、　特斯拉ＭＯＤＥＬ　Ｓ起火等，这些锂离子电池安全性　事故进入公众视野的时间最早可以追溯到四五年以　前。发展到现在，安全性仍然是制约锂离子电池在　高能量／高功率领域应用的关键性因素　Ｊ。热失控　不仅是发生安全性问题的本质原因，也是制约锂离　子电池性能表现的短板之一。热失控典型过程可以　通过图１展示。

- 1 - 对锂离子电池的安全性评判

近年来多起电动汽车着火事件的曝光，使得人们对电动汽车尤其是是锂离子电池的安全性问题越来越关注。当然这不是说电动汽车的安全性就很差，普通汽油车也容易发生起火事件，特别是夏天，只要留心就会发现汽油车的自燃事件发生也不在少数，但是我们也希望能从锂离子电池安全设计上避免类似的事故发生，毕竟人的安全是大于一切的，就如同那句话说的"人是万物的尺度"。

目前我们对锂离子电池安全性的评判还停留在一个较为初级的阶段，判断标准比较模糊，只能判断电池危险程度的几个明显的点，但实际上锂离子电池从完全安全状态转变到完全危险的状态是一个连续变化的曲线，也就是说现在的评判体系无法判断两个状态之间的电池安全状态，这就形成了一个电池安全状态的盲区，因此对锂离子电池的安全性评判函数化、数字化就显得尤为重要，特别是对于动力电池在电动汽车上的应用有着重要的意义。

目前针对锂离子电池安全性常用的标准为欧洲汽车研究发展理事会制定的危害等级分类。该危险级别分类表将电池风险等级共分为0-7八个级别，级别越高电池越危险。

例如6级表明电池发生起火但未发生爆炸，而最高的7级表明电池不仅发生了起火，还发生了危险的爆炸。为了保证操作人员的安全，需要将危险级别控制在4以内，也就是说电池不发生破裂、起火和爆炸。

首先我们要树立一个概念，安全性与滥用是相对立的，增加滥用强度，则必然降低电池系统的安全性。目前大多数针对锂离子电池安全性描述，都是基于经验的总结，缺乏数字性质的准确描述。

- 2 - 为了将电池风险数字化，Ashtiani发明的风险模式和风险分析(HMRMA)模型，该模型主要由两个中要参数组成风险严重程度Hs和风险概率HL。

其中Hs值为0-7代表风险的严重程度，HL值为1-10表示风险发生的可能性，代表每100万件样品中发生风险的数量。为了降低风险HR的值，可以选择降低Hs或者HL，或者我们也可以引入一个新的变量风险控制Hc，因此上式就可以转变为，其中Hc的值的范围为0-1，完全不控制Hc为1，完全控制则Hc为0。