一段時間以來，新能源汽車起火事故時而被媒體報道，而起火的原因，大部分指向了電池，這讓動力鋰電池的安全性再次成為行業(yè)關(guān)注的焦點。動力鋰電池的重要品類是鋰離子動力鋰電池，它的安全性貫穿于從電芯選材到使用終結(jié)的全生命周期，依次可分為汽車?yán)?、梯次利用和再生利用三個生命階段，本文通過深入分析汽車?yán)铆h(huán)節(jié)的安全問題，探究安全問題出現(xiàn)的原因以及提高安全性的方法，希望能為行業(yè)的發(fā)展供應(yīng)一些思考和幫助。

通常鋰離子電池在3C產(chǎn)品應(yīng)用較成熟，近年在新能源汽車和儲能領(lǐng)域存在爆發(fā)式的上升需求，目前我國儲能電池市場規(guī)模還沒完全釋放，而新能源汽車動力鋰電池市場已成為各國爭相競技的賽場。從圖2看出，美國制定的長期目標(biāo)為開發(fā)能量密度＞200Wh/kg的PHEV-100+和EV用二次電池，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）計劃至2020年達(dá)到250Wh/kg，2030年達(dá)到500-700Wh/kg，我國規(guī)劃至2020年，新型鋰離子動力鋰電池單體比能量超過300Wh/kg，系統(tǒng)比能量力爭達(dá)到260Wh/kg，至2025年，單體比能量達(dá)500Wh/kg。

誠如新能源汽車動力鋰電池火爆的背后，不僅帶來了低端產(chǎn)量過剩，高端產(chǎn)量不足的結(jié)構(gòu)性產(chǎn)量問題，同時還伴生了一些安全隱患，如下圖3的幾例典型電動汽車起火和爆炸事故。據(jù)統(tǒng)計，2016年底新能源汽車保有量40萬輛，2016年國內(nèi)新能源汽車發(fā)生火災(zāi)共計29起，按這樣的事故比例計算，至2020年新能源汽車規(guī)劃保有量要達(dá)到500萬輛，火災(zāi)事故相當(dāng)于250次左右。

鋰離子動力鋰電池安全問題的原因分析

從工作原理角度看，動力鋰電池與消費類電池基本相同，但動力鋰電池的帶電量遠(yuǎn)大于消費類電池，在過充、過熱、內(nèi)短路、外短路、機(jī)械觸發(fā)等因素下容易誘發(fā)熱失控，當(dāng)動力鋰電池發(fā)生熱失控時可使電池溫度迅速升高到400-1000℃，進(jìn)而發(fā)生著火、爆炸等事故。如圖4所示，動力鋰電池?zé)崾Э氐难葑兎譃檎T因、發(fā)生和擴(kuò)展三個階段，隨著溫度不斷升高，電池內(nèi)部發(fā)生顯著變化，不同溫度階段伴隨著各種副反應(yīng)的發(fā)生，當(dāng)副反應(yīng)的產(chǎn)熱速率大于電池的散熱速率時，電池內(nèi)壓及溫度急劇上升，導(dǎo)致電池發(fā)生燃燒和/或爆炸。

鋰離子動力鋰電池的結(jié)構(gòu)首先決定了其安全性能的好壞，如圖5所示，鋰電材料由正極材料、負(fù)極材料、電解液及隔膜等組成，充放電過程實際上是一種電化學(xué)反應(yīng)過程，SEI膜是在電池首次充放電過程中電極材料與電解液反應(yīng)沉積在電極表面的一層鈍化膜，當(dāng)溫度過高（T＞130℃）導(dǎo)致SEI膜分解，使電解液與裸露的高活性碳負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)，出現(xiàn)大量的分解熱量使電池溫度升高，這是導(dǎo)致熱失控的反應(yīng)動力學(xué)原因，也是發(fā)生事故的根本原因，因此，改善SEI膜的熱穩(wěn)定性可以提高電芯的安全性。

從鋰電材料組成來看，正極材料占比最高，它決定了電池的比容量和比能量，比較磷酸鐵鋰（LiFePO4）與三元材料NMC(LiNixMnyCo1-x-yO2)發(fā)現(xiàn)，要提高安全性必定犧牲能量密度，影響安全性的重要因素是電極材料的本征電極電勢和晶體結(jié)構(gòu)；負(fù)極材料對安全性的影響重要來自于鋰枝晶的生長導(dǎo)致的與電解液的反應(yīng)，鋰枝晶不斷生長的原因是鋰離子通過SEI膜的速度小于鋰離子在負(fù)極上的沉積速度；電解液通常為有機(jī)碳酸酯類化合物，充電時不穩(wěn)定的正極材料發(fā)生副反應(yīng)釋放氧氣與電解液反應(yīng)，放出大量熱和易燃?xì)怏w；隔膜材料一旦破裂將造成正負(fù)極接觸發(fā)生短路，導(dǎo)致熱失控。如表6所示，在過充和高溫下，正極活性材料與電解液中的溶劑發(fā)生反應(yīng)釋放氧氣并出現(xiàn)大量熱；溫度升高使得在嵌鋰狀態(tài)下的碳負(fù)極材料由有序變無序，極易與電解液或粘接劑（如PVDF）發(fā)生放熱反應(yīng)；電解液溶劑（如PC/EC/EMC/DMC等）均為有機(jī)易燃物，高溫或一定電壓下發(fā)生氧化和分解反應(yīng)；隔膜材料PE熔點135℃，PP熔點165℃，溫度超過熔點，隔膜融化，發(fā)生內(nèi)短路。

目前鋰離子動力鋰電池在乘用車和商用車應(yīng)用較多的分別是三元電池、磷酸鐵鋰離子電池，三元電池向高安全和高能量密度方向發(fā)展，這實際上是矛盾的，三元NCM或NCA均往高鎳方向發(fā)展，能量密度隨之提高，但電池安全性也隨之降低。從圖7看出，高含量Ni4+容易氧化電解液，釋放氣體，破壞材料晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致熱穩(wěn)定性下降，影響電芯安全性。