新能源汽车锂离子动力电池安全性分析

刘俊

摘 要：新能源汽车行业近年来风生水起，受到了全球范围内的广泛关注和重视。特别是电动汽车，因其环保、低排放等特点备受青睐。而动力电池作为驱动这些车辆行驶的心脏部件，自然成为了人们研究和关注的焦点。然而，随着电动车辆的快速增长，相关的安全问题也随之浮现，特别是涉及动力电池的安全性问题，已成为制约新能源汽车发展的一大痛点。本文将针对新能源汽车锂离子动力电池安全性展开详细分析，以供参考。

关键词：新能源汽车 锂离子 动力电池 安全性

新能源汽车在充电、行驶、甚至遭遇交通事故的过程中出现的动力电池自燃或起火现象尤其让人担忧。这些火灾事故不仅会导致财产损失，更有可能危及人身安全，给车主及周围人群带来重大风险。因此，电动汽车锂离子动力电池的安全性问题引发了广泛的社会关注，成为业界亟待解决的重要课题。为了保证新能源汽车的安全性，对锂离子动力电池进行深入的安全性分析和研究是非常必要的。这不仅包括了解和评估锂离子动力电池在设计、制造、使用和废弃等全生命周期中可能出现的安全风险，还涉及到采取有效的预防措施来降低事故发生的几率。

1 锂离子动力电池工作原理

锂离子动力电池作为电动汽车的能量之源，其结构与功能复杂且精巧。它主要构成包括若干锂电池模组、外围的箱体、安全设施（如防爆阀）以及温度调节用的加热片等。同时，可将这些锂电池模组视为动力电池的“心脏”，而这些模组本身，则是由许多串联、并联或二者结合的锂离子电池单体所组成。锂离子电池，作为动力电池的基本构建单元，具有其独特的结构和工作原理。它由正极材料、负极材料、隔膜、电解液和电池壳体等部分组成。在工作时，锂离子在正负极之间移动，实现电荷的转移。因其工作方式类似于摇椅，即电荷在两端来回“摇摆”，因而得名“摇椅型”电池。在电池充电过程中，当外部电压施加在电池两极上时，锂离子会从正极材料中释放并进入电解液，在隔膜的指引下向负极移动。这一过程中，会有多余的电子通过正极的集流体，沿着外部电路流向负极。同时，锂离子穿越电解质，最终抵达负极，嵌入负极的石墨层中，并与那里的电子结合，完成充电过程。放电过程则是充电动作的逆流程。此时，锂离子从负极的石墨层中释出，穿越充满电解液的隔膜，再次向正极移动。伴随着锂离子的移动，会有电子通过外部电路从负极向正极流动，为外部电路提供动力。锂离子抵达正极后，进入正极材料中，并与正极的电子重新结合。这个在充电与放电期间，锂离子在电池内部正负极之间往返的过程，不仅支持了电池存储能量和释放能量的功能，而且也保证了电动汽车的稳定运行。正是这种特殊的工作机制，使得锂离子动力电池成为电动汽车等新能源设备不可或缺的部分。

2 新能源汽车锂离子动力电池安全性测试

2.1 电池包性能安全检测

锂离子动力电池作为现代电子产品及新能源汽车中不可缺少的能量来源，其充放电特性直接影响电池的使用寿，命和性能。在锂电池包充电过程中，一般使用专门的电池充放电机设备来对锂离子电池进行充电。此设备不仅能确保充电过程的稳定性，还能通过内置的程序自动调整充电速率和电压，避免电池因过度充电而损坏。在充电大约2到3小时后，需测定电池的总容量保持率，即电池充满电后，其容量是否能达到初始总量的100%。这一步骤对于评估电池的充电效率和健康状况极为重要。目前，对锂电池包进行充放电试验，通常采取恒流-恒压充电和恒流放电两种方式，采集试验时间、电压、电流等测试数据，并对其进行测试，从而对其容量、库伦效率、充放电平台等进行测试，并对其进行测试。在对锂电池封装的实际电容进行试验时，尽可能采用低速率的充放电方式，以减少极化引起的电容变化，从而获得真正的储能容量。试验时通常选用0.1C。在拆装试验设备时，工作人员必须戴隔离手套、面罩、保护眼睛。因试验通道众多，试验用电池、试验通道要做专用标识，有关仪表前面要有明显的标注，以免别人误动。

充电性能的检验，放电性能的检测同样不可或缺。这一过程同样利用电池充放电机设备来进行，目的在于评估电池在实际使用中的表现。为了确保锂离子动力电池在放电过程中有足够的锂离子，从而维持其性能和寿命，要对放电终止的最低电压进行严格控制。在常规温度条件下，标准的充放电电流被设定为1C（即电池容量的一倍电流）。对电池进行500次充放电循环后，其容量保持率应不低于初始容量的90%。这一标准显示了锂离子电池在经过一定周期使用后，能够维持其初始容量，从而保证了其长期的使用性能。另外，这些充放电条件和检测标准可以确保锂离子动力电池在长期使用过程中仍能保持高效能和安全性。通过精确控制充电电压及严格监测电池的容量保持率和循环后的性能变化，可以显著延长锂离子动力电池的使用寿命，并减少因性能下降导致的电池报废。此外，还有利于提升用户对新能源产品的信任度和满意度，为可持续发展和环境保护做出贡献。

目前，锂电池包温度测试主要有温差耦合和红外图像等，而这两种方式都有各自的缺点。由于采用金属线作为热偶，会造成电池模块内部的短路，另外，由于金属材料本身的硬度，在安装与操作上也存在一定的困难。红外热成像是利用被测物体发出的红外线来实现的，它只能对被测物体进行大致的温度测定，并且需要根据被测目标进行修正。基于布拉格纤维的特点，采用UV光刻技术，在纤维表面制备出具有周期缺陷的周期型位相栅，称为“FBG”。在布拉格状态下，入射到布拉格光栅中的光将产生选择性的折射。FBG的栅极间距在光纤轴线方向上呈一定的排列，外部环境的改变会引起FBG的纵向应力和折射率的变化，从而使其波长发生相应的变化。通过解调回反射光的波长，得到中心波长的位移，再由测试系统的软件来求取对应的温度场。

综上所述，对锂离子动力电池进行充放电控制、温度和性能检测，不仅是保护电池安全的必要措施，也是提升整个新能源产业技术标准和市场认可度的关键步骤。

2.2 电池安全测试

在新能源电池包实际应用中，需确保其在各种极端环境下的安全性。为此，要对电池包本体进行一系列全面的测试，这些测试旨在模拟电池在实际使用过程中可能遇到的各种情况，比如机械冲击、极端温度、潮湿环境以及低压电器的稳定性测试等。（1）针刺测试；通过模拟电池被尖锐物体刺穿的情况来评估电池的安全性。这一测试要求在电池被刺穿后，其内部不能出现短路现象，并要特别观察是否有起火或者爆炸的风险发生。（2）盐水浸泡测试；通过将电池长时间浸泡在5%浓度的盐水中，来评估电池对潮湿环境的抵抗能力，从而确保在湿润环境下电池的功能依然正常。在对电池的防水性能进行测试时，通常采用两种方法。一种是将动力电池包浸泡在3.5%浓度的氯化钠溶液中2小时；另一种是在保持电池包安装状态的条件下，将其完全浸没电池最低点在水中1米持续30分钟。之后将电池包取出，在一定试验环境下静置2小时，以观察是否有异常现象发生。（3）火烧测试，它可以分为四个步骤实施。第一是预热，即在距离火焰源3米处对电池包进行60秒的预热；第二是直接燃烧，在火焰下对电池包进行70秒的直接加热；第三是间接燃烧，即通过将电池包放置于耐火隔板上持续60秒的燃烧；第四是将电池包移开火源，在标准环境温度下或使电池包表面温度降至45℃以下静置2小时。在测试结束后，如果电池没有发生爆炸或起火，且没有火苗残留，则可以认为电池通过了测试。通过这些测试方法，可以有效评价新能源电池包在面临针刺、湿润、防水和火源等多种外界环境因素时的反应和安全性能。从而确保在日常使用及非常状态下，电池包能够保持稳定运行，最大限度地减少安全风险，为用户提供可靠的电力支持。

3 锂离子动力电池安全性试验

3.1 碰撞试验

在新能源汽车发展过程中，保证锂离子动力电池的安全性是至关重要的一环。为了确保这些电池在面对潜在的碰撞或冲击时能够稳定运作，不仅不影响其性能，而且能防止起火或爆炸等严重事故的发生，要进行碰撞试验。碰撞试验的目的是通过模拟电池在实际运行环境中可能遇到的撞击和冲击情景，进而评估重复碰撞对锂离子动力电池可能造成的损伤。这种损伤是否会导致电池性能下降，或者更严重的，是否会引起火灾或者爆炸事故，都是此测试想要明确的问题。同时，新能源汽车的实体结构或设计特性不允许直接进行锂离子动力电池的安全性试验。在这种情况下，技术人员要根据汽车的运行速度、电池系统特点、汽车总质量、车身结构以及使用材料的强度等多个因素，对动力锂离子电池进行模拟碰撞和仿真试验。这种模拟碰撞的仿真试验并非简单的程序，它要对各种可能的冲击角度、力度以及碰撞点位进行全面考虑，确保在模拟碰撞过程中，锂离子动力电池系统不会因为冲击而移位过大或结构松动。此外，模拟试验还要考虑到一系列的安全措施和紧急响应方案，以确保测试即便在最极端的情况下也能安全进行。通过精心设计和执行这些碰撞试验和仿真模拟，可以大大提高新能源汽车在实际运行中的安全系数。这不仅有助于制造商识别并修正潜在的结构缺陷，防止事故发生，同时也为消费者提供了一个重要的安全保障。另外，通过这些测试，可进一步优化电池的设计和布局，确保在遇到意外撞击时，电池系统也能保持稳定，维持车辆的正常运行，从而在保障安全的同时推动新能源汽车技术的发展与普及。

3.2 针刺试验

在新能源汽车锂离子动力电池安全测试中，针刺试验扮演着极其重要的角色。这一测试的核心目的是为了评估当动力电池遭受穿透性损伤时的稳定性及安全性。通过模拟现实中可能发生的锐物穿刺电池的情况，针刺试验为研究和改进电池安全性提供了重要的数据与依据。试验要求见表1。在具体试验过程涉及使用钢质针按照既定的角度和速度穿透动力电池，模拟外部锐器撞击电池的场景。这种操作不仅会导致电池内部的隔膜和电极受到破坏，还会引发电池内部短路，随之产生的热量可能导致电池温度迅速升高。而针刺试验的核心要求是确保即便在这种极端情况下，动力电池也不会出现爆炸或者起火的现象。因此在实际应用中，新能源汽车可能会遇到各种极端情况，例如车祸导致的碎片穿刺电池箱。电池如果在这类情况下出现爆炸或起火，将会造成严重的安全事故，危及乘员及周边人员的安全。因此，通过针刺试验评估电池在遭受锐物穿刺伤害时的反应，对于提高电池整体的安全性至关重要。针刺试验不仅是一项安全性测试，同样也为电池制造商提供了改进产品的机会。根据试验结果，制造商可以识别电池设计中的弱点，进一步优化电池的结构和材料，使其在面对类似的物理伤害时具有更好的稳定性和安全性。此外，这种测试也为电池的安全标准设定提供了科学依据，对于推动行业内电池安全性能的提升具有不可忽视的作用。

3.3 盐雾试验

盐雾试验对于新能源汽车锂离子动力电池系统而言，是一项至关重要的耐用性和安全性测试。这个试验方法专门评估电池系统在面对盐雾腐蚀环境时的表现及其对持续的盐雾侵蚀的抵抗能力，同时验证了电池系统在极端条件下的安全运行能力。进行盐雾试验时，测试环节细致而严格。首先，锂离子动力电池系统被放置在一个密闭的试验容器内，以确保测试环境的稳定性和一致性。试验期间，容器内部的温度被严格控制在35摄氏度，以模拟潮湿且热带的环境条件，因为这种环境条件最容易促进腐蚀的发生。同时，采用pH值在6.5至7.2之间的盐溶液进行喷洒，这一浓度的盐溶液既能有效地模拟海洋雾气中的盐分浓度，也能保证试验的准确性与公正性。锂离子动力电池系统在这样的环境下暴露96小时，足以模拟长期受盐雾环境影响的情况，从而对电池的耐腐蚀性能进行有效的检验。试验完成后，并不是直接结束。电池系统需要通过自来水进行冲洗，以去掉表面残留的盐分，然后再使用饮用水或蒸馏水进行进一步的漂洗，以确保盐分被完全清除。在清洗过程完成后，电池系统需要放在标准的大气环境中干燥1至2小时，以复原到接近正常使用状态的环境中。在整个盐雾试验过程中，锂离子动力电池系统的稳定性和耐腐蚀性是被严格审视的。试验要求电池系统不仅要能够抵抗盐雾环境的侵蚀，还要保证在这种恶劣的条件下不会出现外壳劈裂、锈蚀、起火或爆炸、泄漏等任何一种破坏性行为。这些要求不仅能评估电池的耐腐蚀能力，更能保障电池的绝对安全性。通过进行盐雾试验，能够准确评估动力电池系统在遭遇海洋雾气及类似腐蚀性环境中的稳定性和安全性。这一试验对于新能源汽车的长期可靠性和安全性有着举足轻重的影响，特别是对于那些经常在沿海地区或腐蚀性环境下运行的车辆来说，其重要性不言而喻。盐雾试验能确保动力电池系统即使在最严苛的环境条件下，也能保持良好的性能和极高的安全标准，为新能源汽车的用户提供更多的保障，增加了消费者对新能源汽车技术的信任与依赖。

4 结语

随着我国新能源行业的蓬勃发展，作为新能源汽车心脏的锂离子动力电池的应用也迎来了爆炸性增长。它因其高效、环保的特性成为了新能源汽车的首选能源。然而，伴随着其广泛应用的同时，新能源汽车的安全问题也逐渐成为了公众和行业内聚焦的焦点。尤其是关于电池安全的事件屡见不鲜，让人们对新能源汽车安全性能的关注度大大增加。提高新能源汽车锂离子动力电池的安全性是一个系统工程，需要技术人员过不断的技术创新和标准完善，配合有效的监管和市场引导，为新能源汽车行业的健康发展营造良好的环境。在此过程中，锂离子动力电池的安全性研究和检测标准的建立和完善将扮演着极其重要的角色，为推动新能源汽车行业的可持续发展提供坚实的保障。

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