前不久特斯拉在地庫發(fā)生自燃的新聞引起極大轟動，而之后蔚來ES8、比亞迪e5也相繼爆出自燃事故，使電動車的發(fā)展蒙上陰影。電動車或者說鋰電池真的那么不安全嗎？

拋開概率談安全都是耍流氓，電動車畢竟是新生事物，統(tǒng)計數(shù)據(jù)尚不充足，一些個案并不能夠完全代表整個電動車群體的安全性。因此這篇講堂只是為大家科普一下鋰電池可能存在的安全隱患以及為了防范這些隱患，車企、行業(yè)、國家都做了哪些努力。

☆和汽油一樣，鋰電池本身是易燃品

三元鋰電池的粘結(jié)劑、導電劑、電極活性物質(zhì)的燃點較低，操作不當時極易被引燃，發(fā)生熱失控后熱解氣體的爆炸極限范圍比常見烴類氣體還要大，而且單節(jié)鋰電池熱失控的氣體釋放量就能達到爆炸下限，從而發(fā)生劇烈的燃燒爆炸。

三元鋰電池熱失控之后熱量釋放快，1分鐘內(nèi)就可釋放鋰電池內(nèi)部70%的能量，火焰溫度高或是迅猛，且電池單體形成的火焰會從正極噴射從而導致周圍電池失控產(chǎn)生連鎖反應，致使火災發(fā)生后迅速進入猛烈燃燒階段。高達800℃以上的火焰（常規(guī)汽油車約為400℃）極易引燃汽車內(nèi)飾或其他零部件，且電池平鋪在車輛底盤，分布廣、影響也就大。

鋰電池電解液大多是碳酸二乙酯、乙醚、碳酸丙烯酯等沸點較低的可燃有機溶劑，高溫下易揮發(fā)形成多種甲苯、苯乙烯、一氧化碳、氟化氫等有毒有害氣體。

特斯拉的電池包就是由7000多節(jié)圓柱電芯串并聯(lián)組合而成

三元鋰電池的燃燒滅火困難，鋰電池熱失控時一般伴有大量白煙、溫度高、能見度低且有大量腐蝕性氣體產(chǎn)生，使消防人員開展滅火工作產(chǎn)生困難。并且由于電池內(nèi)部組分提供了可燃物和氧化劑，干粉、泡沫等常規(guī)滅火劑基本不能夠熄滅電池著火。大量的水雖然可以冷卻電池系統(tǒng)起到一定的滅火作用，但在電池殼體發(fā)生破壞的情況下，電池內(nèi)活潑的金屬鋁遇水燃燒，反而可能加大火勢甚至引起爆炸。在文獻研究中有提到可采用亞納米級固相微粒和惰性氣體混合物的氣溶膠作為滅火劑。但……這并不常規(guī)。

所以我們看到，特斯拉在地下車庫內(nèi)著火之后，只能等待車輛完全燒完，而沒辦法施以有效的滅火手段，并且還需要封鎖車庫，避免人員第一時間進入造成中毒。

☆易燃不代表危險，汽油也易燃，失控才是

上邊頻繁提起的一個詞是熱失控，這是鋰電池發(fā)生自燃、危險的主要原因。熱失控是指電池使用過程中產(chǎn)生的熱量無法散出，溫度異常升高反而導致電池內(nèi)部反應更加劇烈，放出更多的熱，兩相促進最終導致燃燒或爆炸。

比如這張圖：某NCM電池負極（材料為鈦酸鋰）的溫度與放熱曲線。正常的鋰電池在使用過程中BMS應該將電池溫度控制在合理范圍內(nèi)。但如果電動車的熱管理設計不好，可以看到，隨著電池溫度的上升，電池內(nèi)部自行產(chǎn)生了多個放熱峰值，80攝氏度左右SEI膜開始溶解，產(chǎn)生大量的熱，隨后溫度繼續(xù)上升135℃左右隔斷開始溶解，正負極短路，溫度急劇上升到200℃左右，正負極材料與電解液開始反應，放熱量極大電池爆燃。

鋰電池的工作原理

在溫度達到一定的閾值之前，過高的溫度雖然會導致電池的損壞，但并不是完全致命的，如果電池安全機制設計良好，還有機會壓制溫度，但到了某個閾值，形成了鏈式反應，那爆燃就不可避免了。（各個溫度節(jié)點隨鋰電池材料工藝不同會有區(qū)別，比如三元鋰電池的熱失控溫度在190℃左右，而磷酸鐵鋰的熱失控溫度在230℃左右）

因此，磷酸鐵鋰電池相對會比三元鋰電池更加安全，而另一邊，雖然都是易燃易爆品，但汽油的潛在危險程度在經(jīng)過了汽車百多年來的發(fā)展，也已經(jīng)降的比還是新生事物的鋰電池更低，這一點不可否認。

☆是什么導致了熱失控

但是，失控并不是那么容易發(fā)生的。為什么會發(fā)生熱失控？有電池的內(nèi)因（自發(fā)的），也有外因。什么叫內(nèi)因，那就是你正常使用，不磕不碰不犯錯，電池內(nèi)部自己莫名其妙短路自燃了。只要是能夠通過國家標準檢驗的產(chǎn)品，這個概率是其實是很低的。

內(nèi)因受材料和工藝影響。磷酸鐵鋰就比三元鋰安全，因為它的熱失控溫度更高（三元190℃，磷酸鐵鋰230℃），出問題的概率也就低。但目前來看，比起材料造成的差異，工藝的影響更大，比如電池制造過程中隔膜表面吸附有導電的金屬粉末、電池各部件尺寸不能精確匹配、電極片邊緣不平整、電解液分布不均勻、正極材料純度不夠等等都有可能造成電池內(nèi)部短路，導致不可逆的溫升起火。

外因和錯誤的使用有關(guān)，包括過充、外短路、高溫、超壓和外力沖擊等。過充電會導致正極過度脫鋰而負極過度嵌入，產(chǎn)生鋰枝晶，對正負極造成不可逆的損壞并持續(xù)升溫。

鋰電池的壓力也可以分為內(nèi)壓和外壓，內(nèi)壓來自于電解液的熱膨脹、鋰枝晶形成、氣體轉(zhuǎn)變等；外壓來自于環(huán)境壓力、機械碰撞帶來的擠壓、壓力變化等，不論外壓還是內(nèi)壓，超過一定限度，電池內(nèi)部強度較低的隔膜、粘結(jié)劑就會產(chǎn)生變形、導致鋰電池內(nèi)部短路工作異常，引發(fā)事故。

外力的沖擊、振動、跌落、擠壓、穿刺等行為也會導致電池隔膜破裂并致使短路，對于電池組，外力也可能導致控制芯片及器件的損壞，進而引發(fā)劇烈燃燒乃至爆炸事故。相對于磷酸鐵鋰電池，三元鋰電池在面對針刺和外部高溫試驗時溫升更大，毒性氣體釋放量也更大，熱失控溫度低，潛在危險也更高。

但有什么辦法呢？電動車想要跑得遠，能量密度就得高，三元鋰電池才能夠符合要求，至于安全，就得看車企BMS、電池封裝等的水平了。

☆不僅要電池強，電堆/電控更要強

電池作為一個危險品是確定的事實，車企的工作就是將這種危險降到最低。怎么做？一預防，二避險。動力電池的應用安全是一個系統(tǒng)工程，在不能保證電池熱失控完全不發(fā)生的情況下，要通過BMS、TMS、熔斷保護、熱障、結(jié)構(gòu)集成等，在成組設計中設置多重的安全保證。

含集成電池控制單元的電池系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

過充放是導致鋰電池產(chǎn)生熱失控的重要原因之一。因此，電池管理系統(tǒng)BMS就需要防止電池過充放。這并不簡單，由于生產(chǎn)一致性問題，每顆電池單體的特性必然存在差異，可能有的電池已經(jīng)充滿了，而另一部分則還需要充電，此時，BMS就需要第一，估測電池的荷電狀態(tài)（SOC），保證電池的電量始終在合理的狀態(tài)，第二，動態(tài)監(jiān)測，實時監(jiān)測電池組中電池單體的端電壓、充放電電流等， 避免出現(xiàn)過充和過放現(xiàn)象。第三，為每個電池單體均衡充電，保證電池組內(nèi)部單體的一致性。還需要考慮鋰電池在使用過程中老化情況的不一致性，估算電池的SOH（State of Health電池健康狀態(tài)），7000多節(jié)電池單體，控制的難度可想而知。

這是過充放的預防，當鋰電池因為其他原因（碰撞、變形、環(huán)境溫度過高等等）產(chǎn)生潛在風險時，控制器應能夠及時通過各種措施（強迫空氣對流法、液冷法、相變材料法等）控制電池溫度。當電池產(chǎn)生明火時，激活電堆內(nèi)部的滅火程序。而被動的電池包裝設計則需要組織降低險情的蔓延速度，通過不同電池模組之間的隔斷以及外部短路的管控，降低電池發(fā)生爆燃的速度，讓人有足夠的時間逃生。

特斯拉爆燃時，16個模組中也只有靠近車頭的4個模組被燒毀，其余模組并沒有起火燃燒（圖片來源微博@愛小車）

鋰電池單體自身也應設有安全保障，比如最簡單的熱敏電阻開關(guān)（保險絲），當電池溫度異常上升，它的阻值隨之上升，當溫度過高時，會自動停止供電；還有適當?shù)母裟ぴO計，當溫度上升到一定程度時，提前熔斷，阻止鋰離子通過，中斷放電反應；針對電池產(chǎn)氣，設置安全閥（氣體通孔），避免電池內(nèi)壓過度升高等等。

如此形成多層級的安全防護，從主動和被動多方面，電芯、電池模組、BMS、線束、外殼、系統(tǒng)設計等等都結(jié)合在一起完成電動車的安全設計。

☆國家標準又扮演了怎樣的角色

目前我國實行的電動車蓄電池安全標準為GB/T 31485-2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》（針對蓄電池單體與模組）和GB/T 31467.3-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測試方法》（針對包含多個模組的電池包和整車蓄電池系統(tǒng)），但這兩個暫行標準即將被《電動汽車用動力蓄電池安全要求》取代。新標準建議自2020年7月1日起開始實施。

電池的測試項目主要如表格所示：

電池模塊擠壓起火現(xiàn)象

電池模塊針刺起火現(xiàn)象

針刺試驗

新國標主要的爭議點在于取消了可能是最難的針刺試驗。該實驗要求使用耐高溫鋼針從垂直于蓄電池極板的方向，從蓄電池幾何中心貫穿，鋼針停留在蓄電池中1小時，此過程中電池應不爆炸不起火，而模塊針刺試驗則使用略粗的鋼針，至少貫穿三個單體電池，同樣觀察1小時，電池模塊應不起火不爆炸。針刺試驗會導致電池內(nèi)部短路、氣密性喪失、通過難度極高。因此在2016年12月30日國家四部委發(fā)布的《新能源汽車推廣補貼方案及產(chǎn)品技術(shù)要求》中規(guī)定針刺試驗暫不執(zhí)行。

外部火燒示意圖

并且在新國標的起草過程中，起草組認為針刺試驗與實際失效模式不相符，作為國際標準的IEC62660－2 和IEC62660－3標準中也沒有采用針刺試驗來評價電池安全性。目前，針刺測試參數(shù)如何調(diào)整都很難完全復制實際使用的失效條件。因此在新國標中取消了針刺試驗。不過，在實際應用場合，一定存在異物刺入電池內(nèi)部導致短路的可能，SAEJ2464 和UL2580 等標準中也明確提出了針刺要求。從這些方面來說，國家標準要求是降低了的。

比亞迪的起火事件中，電池組也被保護的好好地，完全沒有燃燒痕跡，特斯拉也將大部分電池模組保全了下來，車企對于電池安全重視程度無疑是極高的

但據(jù)個人與廠商溝通中了解到，針刺試驗雖然并非強制標準，但大部分廠商仍然繼續(xù)進行。因此也不必太過擔憂，畢竟，從電芯生產(chǎn)廠家、到車企、到行業(yè)、到國家，都在努力推動電動車變得更加安全。

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本文作者為踢車幫 陸思灝