動力電池的安全性是新能源汽車發展中備受關注的熱點，圖1是TUV的關于動力電池安全方面測試項目，大致分為安全測試(Safety Testing)和濫用測試(Abuse Testing)。其中擠壓(crush)測試和針刺(nail penetration)測試屬于濫用測試。這兩項測試對電池的破壞性很大。擠壓是直接對電池施加外部機械力，迫使電池發生形變，從而造成電池內部各部分的機械變形，產生外部\內部結構組織破壞(例如隔膜斷裂、刺穿)，產生內部短路，促發可能的熱失控。針刺是外部金屬異物直接刺入電池內部，刺穿電池內部組分，同樣造成內部短路，促發可能的熱失控。這里通過一些例子來看一下這兩個測試。
圖1 電池安全和濫用測試項目
先看一下LFP/C電池的測試。LFP材料的熱穩定性相對較高，在濫用測試中有助于抑制或延緩熱時空的發生。這里是ELIIY Power的50Ah(106Wh/kg)電池的一個案例，由TUV做的針刺測試。針刺刺入的位置在電池表面的中心。從鋼針刺入的整個過程來看，該電池沒有觀察到任何異常現象，顯示出較高的安全性(圖2a-2c)。
圖2 LFP 50Ah電池的針刺測試
關于針刺試驗，EC Power利用仿真技術研究了鋼針的粗細對NCM電池(5Ah，120Wh/kg)針刺測試結果的影響。有一組數據可供參考：20mm的鋼針，針刺位置溫度達到150攝氏度需要150秒；10mm鋼針，針刺位置溫度達到150攝氏度需要75秒；5mm鋼針，針刺位置溫度達到150攝氏度僅僅需要2秒(圖3)。說明采用較細的鋼針，在針刺位置的局部溫升相對更快，更加容易造成電池熱失控。
圖3 鋼針粗細對針刺結果的影響
圖4同樣是EIILY Power的50Ah LFP電池的擠壓測試，擠壓位置也在電池中間位置。從擠壓頭擠壓到電池厚度一半左右的位置，電池沒有觀察到任何異常現象(圖4a，4b)。繼續擠壓時，可以看到電池內部電解液噴射出來(圖4c)；繼續擠壓時，開始出現少量白煙(圖4d)；擠壓到圖4e位置時，觀察到電池殼體開始發生破裂；圖4f是100%擠壓變形了，電池殼體已經被擠壓破裂成兩半，并且可以觀察到在右邊半塊電池表面的塑料包裝膜開始受熱收縮，說明此時電池內部溫升較快。盡管如此，在整個擠壓過程中，電池沒有出現著火、爆炸現象，顯示出較好的安全特性。
圖4 LFP 50Ah電池的擠壓測試
圖5是一個單體電池的擠壓測試的失敗案例。從擠壓頭開始擠壓電池，電池就有少量白煙從頂部冒出(圖5b)，接著就開始噴射出大量白煙(圖5c)，緊接著在第六秒鐘就噴射中大量火星和火焰，電池完全著火爆炸，數秒鐘之內，著火爆炸產生的氣體、煙霧、飛濺出來的殘留物就彌漫到整個測試房間內。
圖5 擠壓測試失敗案例
我們看一下鋰離子電池在熱失控后從電池內部都釋放出哪些氣體。當然，由于每種電池的組成、結果、化學狀態都存在差異，釋放出來的氣體各有差異。通常，這些氣體都是可燃的，當熱失控造成電池內部溫度快速上升到一定程度，就有可能觸發燃燒。這里以一個40Ah NCM/C軟包電池為例說明，它的電解液為LiPF6/EMC/DEC/EC。在充滿電的情況下，通過針刺出發熱失控，從而采集分析釋放的氣體成分。分析結果顯示，釋放出來的氣體成分主要包括：
· 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：聯苯
· Acrolein：丙烯醛
· CO：一氧化碳
· COS：硫化碳酰
· Hydrogen fluoride：這是氟化氫
上述這些物質中，有些是氣體，有些是揮發的液體。前三種物質是電解液本身揮發出來的，后面幾種物質都是在熱失控過程中形成的新物質。上面所有物質都已具有一定毒性的，在一定溫度下都是可燃的。
下面再看一個傳統消費類電池，電池材料為LiCoO2/C，2.1Ah軟包電池，能量為7.7Wh。觸發熱失控后通過設備采集氣體進行分析，得到表1結果。這里的氣體成分包括：
·一氧化碳、二氧化碳、氫氣
·甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、丁烷、異戊烷、異戊烷、己烷、乙烯、丙烯、苯、甲苯、苯乙烷
其中，在100%SOC和150%SOC下，體積含量最多的是一氧化碳、二氧化碳和氫氣。主要成分是一氧化碳、二氧化碳和氫氣，其余是烷烴、烯烴、苯等有機物，這些也可使可燃氣體。
表1 氣體成分
同時測量釋放出來的氣體的含量(表2)，從50%SOC到100%SOC，熱失控后釋放出來的氣體含量增加了3倍多。在150%SOC，釋放的氣體含量達到了50%SOC下的7.5倍，一個小小的電池竟然可以釋放出這么多的氣體。
表2 氣體含量
動力電池產品關乎用戶的生命安全，其安全設計和要求在整個電池系統設計中處于最高優先級。這需要選擇合適的電池材料、優化單體電池設計、強化模組和系統的電氣安全設計、應用FMEA工具綜合考慮/分析各種安全失效模式和應對措施，從而設計出高性能、高安全的動力電池產品。
參考
The AutoLion Battery Safety Challenge. 2014 EV Tech Expo and Battery show.
ELIIY Power エリーパワー株式會社
Batteries 2016, 2, 5
Thermal Runaway and Safety of Large Lithium-Ion Battery Systems
