原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2025 年第11 期 《 動(dòng)力電池技術(shù)革新與典型安全評(píng)價(jià)技術(shù)綜述 》
近年來(lái),通過(guò)材料創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和管理系統(tǒng)升級(jí),動(dòng)力電池在能量密度、充電速度和使用壽命等方面取得了顯著進(jìn)展。然而,隨著新技術(shù)的應(yīng)用,動(dòng)力電池的安全設(shè)計(jì)問(wèn)題依然不容忽視,尤其在快充、底部磕碰和熱事件等使用場(chǎng)景中仍存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。本文系統(tǒng)梳理了動(dòng)力電池技術(shù)革新的主要方向,包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新及化學(xué)體系升級(jí),并分析了由此引入的安全性能提升策略。從測(cè)試評(píng)價(jià)的角度,深入分析了電池快充、底部沖擊及熱擴(kuò)散行為等前沿安全問(wèn)題,并提出了針對(duì)電池全生命周期的安全評(píng)價(jià)技術(shù)。
新能源汽車作為現(xiàn)代交通領(lǐng)域的重要突破,其性能優(yōu)化需要綜合考慮安全性、續(xù)航里程、環(huán)境適應(yīng)性、加速性能、便捷性和經(jīng)濟(jì)性等多維度因素。其中,動(dòng)力電池作為新能源汽車的核心動(dòng)力來(lái)源,其技術(shù)發(fā)展水平直接決定了整車的性能表現(xiàn)。因此,動(dòng)力電池的技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)聚焦于高安全性、高能量密度、寬溫度適應(yīng)范圍、高倍率性能、長(zhǎng)壽命以及低成本等方面,以滿足日益多樣化的車用需求。動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)通過(guò)多種手段持續(xù)開(kāi)展技術(shù)革新,而該過(guò)程引入的新設(shè)計(jì)、新體系是否安全可靠,需要利用完善的測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)分析。
本文面向動(dòng)力電池新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料等技術(shù)革新,系統(tǒng)性分析其技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)電池性能與安全性等外特性的影響機(jī)制,基于測(cè)試評(píng)價(jià)視角提出安全性提升策略;重點(diǎn)針對(duì)長(zhǎng)期使用中易引發(fā)的快充失效、底部機(jī)械損傷及熱擴(kuò)散等關(guān)鍵安全隱患展開(kāi)多維度研究。同時(shí),結(jié)合多參數(shù)融合測(cè)試、虛擬仿真技術(shù)及智能化檢測(cè)系統(tǒng)等前沿方向,前瞻性探討動(dòng)力電池測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展路徑,通過(guò)構(gòu)建更完善的測(cè)試體系促進(jìn)產(chǎn)品迭代升級(jí)與行業(yè)技術(shù)突破。
1 動(dòng)力電池技術(shù)革新方向
動(dòng)力電池技術(shù)的革新主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新和化學(xué)體系升級(jí)兩大方向,實(shí)現(xiàn)電池能量密度、安全性及充電能力的提升,更好滿足新能源汽車的應(yīng)用需求。
1.1 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的動(dòng)力電池包由電芯、電池模組和電池包3個(gè)層級(jí)構(gòu)成,各層級(jí)通過(guò)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行封裝,內(nèi)部空間利用率僅約為40%,限制了電池包能量密度的進(jìn)一步提升。
為突破這一瓶頸,近年來(lái)提出了多種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,諸如CTP、CTB、CTC等,減少了結(jié)構(gòu)部件的應(yīng)用,顯著提高了電池包內(nèi)部空間利用率,從而在化學(xué)體系保持不變的情況下,實(shí)現(xiàn)了電池包能量密度的顯著提升。例如,CTP技術(shù)通過(guò)直接將電芯集成到電池包中,省去了模組層級(jí),使得空間利用率大幅提高,能量密度顯著增加。同時(shí),電熱分離、優(yōu)化換熱通道布局以及采用先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)等新設(shè)計(jì),可以在提升散熱能力的同時(shí),增強(qiáng)整包的快速充電性能,為電池的高效運(yùn)行提供支持。
1.2 化學(xué)體系升級(jí)
革新電池化學(xué)體系是提升動(dòng)力電池能量密度的直接且有效途徑。首先,高比能正負(fù)極材料的開(kāi)發(fā)是提升電池能量密度的核心。
在負(fù)極材料方面,硅基材料備受關(guān)注,金屬鋰復(fù)合或無(wú)鋰負(fù)極被認(rèn)為是負(fù)極材料的發(fā)展方向;
正極材料方面,高鎳三元材料和富鋰錳基材料將逐步投入產(chǎn)業(yè)。
然而,高比能材料的引入顯著增加了電池的熱失控風(fēng)險(xiǎn)。以鋰枝晶生長(zhǎng)為例,其形成機(jī)制與局部電流密度不均勻、電解質(zhì)分布不均以及界面副反應(yīng)密切相關(guān),進(jìn)而引發(fā)電池內(nèi)短路,導(dǎo)致局部溫度急劇升高,進(jìn)而引發(fā)電解液分解和正極材料熱分解,釋放大量熱量和氣體,最終導(dǎo)致電池?zé)崾Э?。因此可通過(guò)利用電解質(zhì)阻燃添加劑或使用離子液體提高熱穩(wěn)定性,進(jìn)一步,利用電池固態(tài)化技術(shù),即應(yīng)用高熱穩(wěn)定性的固體電解質(zhì)能夠有效避免液態(tài)電解液的泄漏和燃燒風(fēng)險(xiǎn)。
通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和化學(xué)體系升級(jí),動(dòng)力電池技術(shù)正朝著更高能量密度、更優(yōu)性能和更強(qiáng)安全性的方向快速發(fā)展,推動(dòng)新能源汽車向更安全、更便捷、更長(zhǎng)續(xù)航的方向發(fā)展,加速交通領(lǐng)域的電動(dòng)化轉(zhuǎn)型。
2 動(dòng)力電池安全評(píng)價(jià)新挑戰(zhàn)
新能源汽車使用中面臨復(fù)雜場(chǎng)景及多變工況。面向快充、機(jī)械安全及熱安全等實(shí)車場(chǎng)景分別討論。
2.1 快速充電后安全評(píng)價(jià)
目前可支持快速充電的電池設(shè)計(jì)中,利用合理的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電解液優(yōu)化實(shí)現(xiàn)鋰離子的快速遷移。然而,當(dāng)充電倍率超出電池設(shè)計(jì)能力時(shí),會(huì)引發(fā)一系列不良后果,包括鋰枝晶生長(zhǎng)、正負(fù)極材料結(jié)構(gòu)變化、電解液分解及副反應(yīng)加劇等,伴隨內(nèi)部產(chǎn)氣,嚴(yán)重影響電池性能和安全性;相應(yīng)的,充電過(guò)程中的產(chǎn)熱效應(yīng)在上述副反應(yīng)的作用下會(huì)進(jìn)一步加劇,導(dǎo)致內(nèi)阻增大,后續(xù)充電時(shí)產(chǎn)熱量增加,從而提升電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險(xiǎn)??焖俪潆娺^(guò)程中鋰沉積示意圖如圖1所示。
圖1 快速充電過(guò)程中鋰沉積示意圖
在全生命周期應(yīng)用中,電池容量衰減和內(nèi)部損傷的累積仍難以避免,快充能力隨之下降,原本適用于新電池的充電策略可能不再適用,進(jìn)而影響快充后的電池安全性。在GB 38031-2025中,已面向電池單體增加快充后安全的試驗(yàn)方法及相關(guān)要求,對(duì)于具備快速充電能力的單體,在進(jìn)行300次快速充電循環(huán)后進(jìn)行外部短路試驗(yàn),應(yīng)不起火、不爆炸。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)修訂加強(qiáng)了對(duì)電池單體快充后安全的監(jiān)測(cè),降低了因長(zhǎng)期快充循環(huán)后安全邊界收縮而引發(fā)的安全風(fēng)險(xiǎn)。
2.2 機(jī)械安全評(píng)價(jià)
車輛在行駛過(guò)程中可能面臨多種機(jī)械應(yīng)力的作用,包括路面振動(dòng)、底部磕碰或遭受沖擊等,這些外力可能對(duì)電池包的結(jié)構(gòu)完整性和內(nèi)部電池單體造成潛在威脅。其中,考慮到電動(dòng)乘用車的動(dòng)力電池包通常安裝于車輛底部位置,底部防護(hù)是機(jī)械安全性的典型場(chǎng)景,通過(guò)底部防護(hù)設(shè)計(jì)可提高電池包的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與抗沖擊性能,有效保護(hù)電池單體免受外力作用,從而避免因外力導(dǎo)致的電池失效及其可能引發(fā)的安全隱患。
在基于實(shí)車場(chǎng)景的測(cè)試中,電池包底部防護(hù)的驗(yàn)證主要集中在兩個(gè)方向:車輛行駛方向(
X方向)的正向沖擊和垂直方向(
Z方向)的底部撞擊。
X方向的沖擊模擬主要涉及車輛行駛過(guò)程中與障礙物的正向碰撞,如臺(tái)階磕碰、障礙物撞擊、井蓋翻轉(zhuǎn)等。在中汽研新能源的試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi),可通過(guò)障礙物布置模擬場(chǎng)景,并利用高速攝像機(jī)記錄試驗(yàn)全過(guò)程,通過(guò)逐幀分析圖像數(shù)據(jù),精確測(cè)量異物對(duì)電池包的侵入量;結(jié)合力學(xué)仿真技術(shù),進(jìn)一步評(píng)估沖擊過(guò)程中的電池內(nèi)部形變量。進(jìn)一步,試驗(yàn)后通過(guò)電池包拆解技術(shù)定位失效點(diǎn),并利用斷層掃描等無(wú)損檢測(cè)手段分析異物侵入對(duì)電池內(nèi)部電極結(jié)構(gòu)的破壞程度,從而實(shí)現(xiàn)從電池外殼到電池內(nèi)部的跨層級(jí)損傷分析。
圖2 模擬實(shí)車場(chǎng)景的底部正向沖擊試驗(yàn)及仿真結(jié)果
Z方向的底部撞擊主要評(píng)估垂直方向上外力對(duì)電池包的破壞效果,其試驗(yàn)關(guān)鍵變量包括撞擊頭尺寸、撞擊能量等。通過(guò)調(diào)節(jié)撞擊頭形狀和沖擊條件,模擬不同工況下對(duì)電池包的垂直撞擊場(chǎng)景。結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證與仿真分析,量化撞擊能量對(duì)電池包底部防護(hù)性能的影響,重點(diǎn)評(píng)估電池外殼變形、電池單體損傷及可能的電化學(xué)行為變化。
2.3 熱安全評(píng)價(jià)
熱安全問(wèn)題作為電池失效累積的最終表現(xiàn)形式,需要從失效觸發(fā)、失效行為及失效結(jié)果3個(gè)方面進(jìn)行全面的綜合評(píng)價(jià)。在失效觸發(fā)方面,目前標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)電池包或系統(tǒng)開(kāi)展測(cè)試,推薦的熱擴(kuò)散觸發(fā)路徑包括外部加熱、內(nèi)置加熱及針刺試驗(yàn),能夠有效模擬單體熱失控對(duì)電池包的熱擴(kuò)散影響。然而,在復(fù)雜實(shí)車場(chǎng)景中,電池包起火的誘因往往并非單一單體熱失控,而可能源于外部極端條件下的多重因素疊加。因此,除了電池包層級(jí)的測(cè)試,需考慮整車級(jí)別的熱安全測(cè)試。例如,通過(guò)模擬側(cè)面炙烤、底部火燒等極端工況,評(píng)價(jià)整車層級(jí)熱失控的觸發(fā)路徑及傳播規(guī)律,進(jìn)一步完善現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)。
對(duì)失效行為的評(píng)價(jià)需要綜合評(píng)估能量釋放和物質(zhì)釋放兩個(gè)主要方面。在熱失控過(guò)程中,電池電壓迅速下降,儲(chǔ)存的化學(xué)能以熱能形式大量釋放,導(dǎo)致電池溫度驟升,并伴隨起火和物質(zhì)燃燒。副反應(yīng)生成的高溫氣體噴發(fā)產(chǎn)生動(dòng)能,可進(jìn)一步加劇燃燒和擴(kuò)散,且在實(shí)車場(chǎng)景下,動(dòng)力電池包可近似認(rèn)為處于半封閉環(huán)境中,可燃?xì)怏w的積累將顯著提升電池爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。測(cè)試評(píng)價(jià)過(guò)程需要分析電池失控過(guò)程的能量釋放量及速率,監(jiān)測(cè)電池包及周圍環(huán)境溫度,并利用影像采集分析電池失效的起火過(guò)程,分析系統(tǒng)薄弱點(diǎn)位。在整車級(jí)評(píng)價(jià)中,在車內(nèi)外多點(diǎn)布置攝像頭,可觀察車輛中控臺(tái)熱報(bào)警信號(hào)。
從物質(zhì)釋放的角度上看,電池?zé)崾Э剡^(guò)程會(huì)釋放大量煙和氣體,其中包括CO、HF等有毒氣體。在整車級(jí)測(cè)試評(píng)價(jià)上,通過(guò)在乘員艙、車外等多處布置氣體傳感器,可監(jiān)測(cè)上述氣體在熱失控過(guò)程中的含量變化過(guò)程,評(píng)價(jià)失控產(chǎn)氣對(duì)乘員健康及外界環(huán)境的影響;同時(shí),利用試驗(yàn)場(chǎng)地布置的煙氣排放通道可對(duì)產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行收集及處理,對(duì)采集到的氣體樣本可進(jìn)一步通過(guò)氣相色譜、質(zhì)譜等手段分析氣體成分,實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣成分及各組分含量的定量分析。
3 動(dòng)力電池測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)展望
面向動(dòng)力電池安全的測(cè)試評(píng)價(jià),本文針對(duì)快充后安全性、底部沖擊防護(hù)和熱擴(kuò)散行為等實(shí)際問(wèn)題,提出了系統(tǒng)化的測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)方向。未來(lái),動(dòng)力電池測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)需要進(jìn)一步發(fā)展,以更全面地覆蓋復(fù)雜的使用工況并滿足更加嚴(yán)格的安全性要求。
一方面,從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看,測(cè)試體系將加速向多物理場(chǎng)耦合建模與跨層級(jí)協(xié)同驗(yàn)證方向延伸,通過(guò)集成數(shù)字孿生、人工智能與高精度傳感技術(shù),構(gòu)建覆蓋材料-單體-模組-系統(tǒng)的全鏈條虛擬驗(yàn)證平臺(tái);
另一方面,智能化測(cè)試系統(tǒng)將突破傳統(tǒng)評(píng)價(jià)局限,借助多類型、多條件工況疊加分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景下電池衰減規(guī)律的精準(zhǔn)模擬。
本文作者:王芳、韓策、閆鵬飛、王煒娜、馬小樂(lè)、劉仕強(qiáng)
作者簡(jiǎn)介:王芳,中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司,教授級(jí)高級(jí)工程師,研究方向?yàn)樾履茉雌嚰瓣P(guān)鍵零部件測(cè)試技術(shù)。
文章來(lái) 源 : 王芳, 韓策, 閆鵬飛, 等. 動(dòng)力電池技術(shù)革新與典型安全評(píng)價(jià)技術(shù)綜述[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2025, 43(11): 87?96 .
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