许科

摘 要 针对高比能锂离子动力电池面临的安全挑战，从技术研发角度对单体电芯和电池系统两个层级进行了安全设计思路分析。对于单体电芯的安全设计，从电解液添加剂、电解液配比、正极材料、负极材料、隔膜等多个角度进行了分析。对于电池系统安全设计，从电源模块、电气系统、电池管理系统、热管理系统、电池组结构设计角度进行了分析。

关键词 锂离子电池；高比能；软包装；安全设计

中图分类号 TM912 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）11-0020-02

近年来，锂离子动力电池技术不断提升，成本不断下降，推进了新能源汽车应用量的大幅提升。然而，电动车安全事故的发生给行业敲响了警钟。车辆更高的续驶里程要求锂离子动力电池比能量不断提高，伴随而来的是更大的安全挑战。如何解决高比能锂离子电池的安全问题，成为行业关注的焦点。其中，软包装锂离子动力电池具备安全特性高的特点，在高比能锂离子电池发展上具备良好的前景。

1 高比能软包装锂离子电池安全设计

软包装锂离子电池其特有的软包装体系，决定了产品的安全特性，在内部出现副反应大量产气时铝塑复合膜热封部位会自行破开，将压力自动释放，避免安全问题的进一步加剧，具备其特有的安全优势。另外，从以下角度开展设计，可以进一步提升安全性能。

1.1 电解液设计优化

采用有机含磷化合物添加剂可以改善电池的安全性能，基本原理是阻燃添加剂受热时，释放出具有阻燃性能的自由基，该自由基可以捕获气相中的氢自由基或氢氧自由基，从而阻止这些自由基的链式反应，使有机电解液的燃烧无法进行或难以进行，提高锂离子电池的安全性能。使易燃有机电解液变成难燃或不可燃，降低电池放热值和电池自热率，同时也提高电解液自身的热稳定性，改善热失控而导致的安全问题。

1.2 电解液中添加防过充添加剂

过充是电池最大的安全风险之一，采用氧化还原添加剂可以有效提升电池的抗过充性能。其原理是在锂电池正常充电时不和电解液的任何组分发生化学或者电化学反应，在电池发生过充或者充电电压高于电池正常工作电压达到添加剂氧化分解电位时，添加剂在正极附近被氧化形成活性分子，活性分子通过隔膜扩散到负极再被还原形成中性分子，中性分子再扩散到正极被氧化，这个过程一直持续到电池过充电结束，并建立一个氧化还原平衡的过程，在整个过充中，氧化产物和还原产物往复反应消耗掉电解液中过剩的带电离子和基团，最终以放热的方式散发，从而起到保护电解液的作用。

1.3 正极材料优化

为了实现更高的比能量，高镍三元材料的使用成为一个优先的选择，然而，高镍三元存在结构及热稳定性差、电极材料/电解液界面复杂等缺点，安全挑战极大。为了解决此安全问题，需要对正极材料进行优化改善，可以进行材料的特殊表面包覆，使用安全颗粒进行包裹以改善其安全性能。掺杂一定比例的安全性更好的材料也是一个解决方向，但这会导致比能量的下降，如何实现比能量与安全的平衡，这还需要深入的研究。

1.4 负极材料優化

硅基负极的开发是实现高能量密度电池的必经之路。目前对动力电池用硅基负极的研究集中在硅碳（Si-C）复合材料和SiO材料方面，通过结构设计、表面改性、预锂化和材料复合等方式是解决起安全问题的考虑途径，但是硅负极的反应机理、失效机理、改善措施等方面的系统性研究较少，需要从机理角度开展研究分析，并尽可能减少硅基负极在循环过程中的体积变化，以提高其循环寿命及安全性能。

1.5 选用高安全性的涂层隔膜

选用高安全性和热稳定性的陶瓷涂层隔膜。当电池内部升到一定温度时，多孔结构的隔膜会发生熔化导致微孔结构关闭，内阻迅速增加而阻断电流通过。并且由于陶瓷层的存在，保障了隔膜在受热时的收缩度，防止由于隔膜收缩使得电池正负极直接短路从而散发出更多的热量导致起火等事件的发生。

2 软包装锂离子动力电池系统安全设计

单体电芯的安全性是电池系统的安全性能的重要影响因素，针对单体电芯可能产生安全问题的影响因素，可以通过系统设计避免各影响因素的触发，从而实现电池系统产品的安全。

2.1 电源模块设计

软包装锂离子电池在电芯层级的安全性毋庸置疑，但其机械强度弱，如何在成组过程中实现良好的保护，保障其机械安全及热安全，是电池模块设计的关键。目前成熟可靠的设计方法可以采用塑料支架与导热铝片结合的方式组成电池单元，通过塑料支架将单体电芯进行四周保护，通过导热铝片将单体电芯的热量及时传递，通过多个单元的串并联组合，两端通过端面板紧固，并通过扎带或长螺栓固定加强，组成热管理优异的耐振动电压模块，以保障电池的机械安全及热安全。

2.2 电气系统设计

电池模块通过电气系统实现电气连接，通过继电器、保险丝、预充电回路及高压互锁功能接插件，实现继电保护、过流防护、预充电、高压互锁等多项电气防护功能，系统设计过程中需要关注电气间隙及爬电距离，保障电气安全，电气件选型需要结合系统参数开展，并需要关注环境耐久性，目前国内尚需基于老化机理和可靠性理论开展进一步的研究，进而根据全寿命周期内的电气安全性和可靠性来设计和验证电气系统的安全，以保障电池系统在全寿命周期内的安全使用。

2.3 电池管理系统设计

电池管理系统是电池监控及主动防护的关键部件，通过电池管理系统实时监控单体电芯的电压、温度、电流，并通过强大的算法实时估计电池组的SOC（核电状态），及时向车辆发送电池组允许的最大充放电功率（或电流）信息，以保障单体电芯在安全合理的条件下使用，同时监控电池系统的绝缘电阻状态、高压互锁状态，保障系统层级的电气安全。在出现异常情况时，电池管理系统可以控制继电器断开高压回路，这是电池系统安全的重要保障。

2.4 热管理系统设计

良好的热管理系统可以保障单体电芯的温度控制在合理的工作范围内，尤其避免出现过温情况，保证电池系统的热安全。目前常见的设计方式有自然散热、风冷系统和液冷系统，其中以液冷系统散热效果最佳，可以控制温差在3℃以内，可以兼顾散热和加热两种需求，目前成为各家企业考虑的重点。为了保障电池系统在极端危险情况下的安全，热失控防护设计也成为了必须要考虑的方向。需要通过隔热材料将电池组分割为安全的独立单元，当单体电芯出现热失控时，可以阻隔热失控的扩散传导或延缓扩散速度，保障乘客安全。

2.5 电池组结构设计

电池系统里的各个部件，最终要通过电池组结构实现固定和集成。电池组结构设计既要保障各个部件的良好固定，保障各个部件之间的安全隔离与防护，还要保障整个电池组的机械安全，另外往往还需要实现IP67的防护要求，以保障车辆的涉水安全。实现好的结构设计，强大的有限元分析是必不可少的条件，通过有限元分析，可以用最轻量化的结构设计与材料来保障系统的耐振动、耐冲击性能，最终还要通过振动测试、冲击测试以及车辆的综合耐久测试来实现全面完整的测试验证，保障系统的机械安全。

3 结论

随着电池技术的日益进步，锂离子电池的比能量也越来越高，安全设计成为产品开发的关键，软包装锂离子电池在安全方面具备其特有的优势，但仍需在单体电芯及电池系统层级进行多方面的安全设计，以保障产品的最终安全应用，推进新能源行业健康发展。