巫揚勛

摘 要：石油短缺、環(huán)境污染氣候變暖，使全球的汽車產業(yè)面對共同的挑戰(zhàn)，各國政府及產業(yè)界紛紛提出各自的發(fā)展戰(zhàn)略，積極應對，以保持汽車產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，并提高未來的國際競爭力。新能源汽車已成為21世紀汽車工業(yè)的發(fā)展熱點，而鋰離子電池作為現(xiàn)今社會的主流汽車動力用電池，運用范圍越來越廣。

關鍵詞：鋰離子電池；安全性問題；安全防護

中圖分類號：TM912.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）08-0101-02

1 鋰離子電池綜述

1.1 鋰離子電池定義

鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的電池，是現(xiàn)代高性能電池的代表。

1.2 鋰離子電池的分類

①按外形分，可分為方形鋰離子電池、圓柱形鋰離子電池、異性鋰離子電池。

②按照外部封裝方式分，可分為鋼鋁殼電池、塑殼電池、鋁塑軟包電池。

③按鋰離子電池正極材料的不同，可分為錳酸鋰離子電池、磷酸鐵鋰離子電池、磷酸亞鐵鋰離子電池、鎳鈷鋰離子電池或鎳鈷錳鋰離子電池。

④按照鋰離子電池所用電解質材料的不同，可分為聚合物鋰離子電池和液態(tài)鋰離子電池。

1.3 鋰離子電池的結構

鋰離子電池由正極、負極、隔膜、電解液、安全閥、電池殼等組成。

①正極：正極物質在錳酸鋰離子電池中以錳酸鋰為主要原料，在磷酸鐵鋰離子電池中以磷酸鐵鋰為主要原料，在鎳鈷鋰離子電池中以鎳鈷鋰為主要材料，在鎳鈷錳酸鋰離子電池中以鎳鈷錳鋰為主要材料。在正極活性物質中再加入導電劑、樹脂粘合劑，并涂覆在鋁基體上，呈細薄層分布。

②負極：負極活性物質是由碳材料和粘合劑的混合物再加上有機溶劑調和制成糊狀，并涂覆在銅基上，呈薄層狀分布。

③隔膜：隔膜的功能是關閉和阻斷通道，它一般是聚乙烯或聚丙烯材料的微多孔膜，可以讓鋰離子自由通過，而電子不能通過。

④電解液：電解液是以混合溶劑為主體的有機電解液，聚合物的則使用凝膠狀電解液。

⑤安全閥：為了保證鋰離子電池使用過程中的安全，在鋰電池的電池殼表面設置安全閥，防止內部壓力過高。

⑥電池殼：鋰離子電池的外殼根據(jù)材料分主要有鋼殼、鋁殼、塑膠殼殼、鋁塑殼（軟包），材料不同，不同鋰離子電池的封裝工藝各也不盡相同。

1.4 鋰離子電池的特點

鋰離子電池有許多顯著的特點，它的主要優(yōu)點如下。

①工作電壓高，鋰離子電池額定工作電壓為3.7V，為Ni-Cd、Ni-MH電池的3倍。

②能量密度大，體積容量和質量容量分別可達4 00Wh/cm3和125 Wh/kg，最大可達500 Wh/cm3。

③循環(huán)壽命長?？蛇_1 200次左右，磷酸鐵鋰電池在低深度放電的情況下可達8 000次。

④自放電率低，鋰離子電池月自放電率僅為10%，不到Ni-

Cd＼Ni-NH自放電的一半。

⑤無記憶性，沒有Ni-Cd＼Ni-NH電池一樣的記憶效應。

⑥對環(huán)境無污染，稱為綠色電池。

⑦可根據(jù)實際空間需要，能夠制造成任意形狀。

2 鋰離子電池的安全性問題

鋰離子電池最常見的安全性問題主要有以下幾種。

2.1 短路問題

①外部短路時，由于外部正負極被短接或負載阻值過低，電池瞬間大電流放電。根據(jù)P=I2R，產生巨大熱量。

②內部短路，主要原因是電池內部的隔膜被穿透，正負極形成短路，產生大電流，溫度急劇上升導致隔膜熔化，進而使內部短路進一步加劇。

2.2 氣體性問題

①鋰離子電池內部的有機電解液在大電流或高溫的條件下會被氣化，導致內部壓力升高達到一定程度會沖破殼體，在無安全閥或安全閥失效的情況下導致爆炸的危險。

②在大電流充電和過充的的情況下，正極鋰的氧化物也會發(fā)生氧化成金屬鋰，一旦與空氣直接接觸，引起燃燒，有可能引燃電解液，導致氣體急速膨脹，發(fā)生爆炸。

2.3 絕緣防護問題

電壓這是因為動力汽車為達到較好的能量利用，動力電壓不斷提高，由以往的幾十伏已經提高至目前100～600 V，遠超過安全電壓，如果鋰電池的絕緣防護做得不好，動力電池高電壓將會電池金屬外箱或金屬車身對乘員產生電擊傷害。

2.4 電路連接可靠性問題

長時間大電流工作的動力電池如有局部接觸不良，或螺絲松動，接觸不良的地方內阻大，導致局部的溫度急劇上升，熱量會熔化導體外部的絕緣層，使導體處于裸露的狀態(tài)，導致發(fā)生電擊或短路的危險。

2.5 機械結構防護問題

一方面當動力汽車發(fā)生碰撞時，電池將承受巨大的沖擊載荷，并且可能受到擠壓、穿刺等損壞，嚴重的造成電池的燃燒、爆炸等危險。另一方面動力汽車的工作環(huán)境為一個動態(tài)環(huán)境，長期在路面上顛簸，容易導致電池固定松動，造成一些機械性的傷害和連接件的松動導致的一些問題。

3 安全防護

安全電壓：人體的安全電壓多采用36 V，根據(jù)國際電工標準（IEC60529）——為蓄電池驅動的道路車輛提供能量的點起裝置，對正常工作中的觸電防護要求為在任意可接觸的觸點間的峰值電壓應低于42.3 V。

安全電流：根據(jù)國家相關安全標準，人體允許電流不超過30 mA，某些特殊場合下將更小。

電池絕緣阻值：在電池的整個壽命周期內，按照標準計算方法計算得到的絕緣電阻值，除以電池的標稱電壓U，所得值應大于100 Ω/V。

爬電距離：聯(lián)接端子的帶電部分（包含任何可導電的連接件）和電底盤之間，或兩個電位不同的帶電部分之間的沿絕緣材料表面的最短距離。以符號d表示。兩個聯(lián)接端子的爬電距離d≥0.25 U+5（d單位為mm，U為兩個端子間的標稱電壓）；帶電部分與電底盤間的爬電距離d≥0.125U+5（d單位為mm，U為兩個端子間的標稱電壓）。

3.1 電池的絕緣防護

①對于安全電壓超過36 V的動力電池，安裝于汽車后其電池的表面必須有明顯標識警告標記，并注明電池的相關參數(shù)（容量、電壓等）。

②電動客車用電池組輸出電壓高達幾百伏，電池箱除固定安裝電池外，必須有效隔絕操作人員和乘客與電池的接觸，防護要求如下：

其一，電池箱必須有效接地，與電池間的絕緣電阻值是為了滿足安全目的而確定的一個足夠的值。要求在動力蓄電池的整個壽命周期內，該絕緣電阻值除以動力蓄電池的標稱電壓U，所得值應大于120 Ω/V；其二，電池的兩級以及兩級的連接板與電池箱的最小距離必須>10 mm，防止擊穿放電；其三，電池箱的內部涂覆阻燃、耐高溫的絕緣漆。

③由于動力汽車使用環(huán)境較為惡劣，主要受振動、沖擊、氣候冷熱交替以及動力電池腐蝕性液體、氣體等的影響，其強電部分與車體之間的絕緣容易出現(xiàn)損傷和破壞，使絕緣性能下降，電源正極、負極引線通過絕緣層性能下降，使底盤電位上升，不僅會危及乘客的人生安全，還將影響車內電器的正常工作。增加絕緣檢測模塊，準確、實時檢測高壓電氣系統(tǒng)對車輛底盤絕緣性能也是絕緣防護的一種措施。其原理是以直流正、負母線對地的絕緣電阻來衡量，其值需大于100 Ω/V，才符合安全的要求。

3.2 電池的結構防護

①電池箱體強度和穩(wěn)定性防護：電池箱的基本功能即容納和保護電池組，其結構必須保證在大容量的容納空間基礎上滿足足夠的強度，以保證在非正常情況下的碰撞下保護里面的電池不受大力擠壓。同時考慮到節(jié)省布置空間，并滿足汽車多變的運行環(huán)境，建議電池箱采用上下箱體結構，電池箱內部設計推薦使用框架結構固定電池，對于大面結構采用加強筋加強整體強度，并根據(jù)布置要求適當調整。

②電池箱體IP等級防護：對于電池箱放置位置在車體外，電池箱外殼為第一防護層，其電池箱需要做全封閉防水設計，防水等級需達到IP67。在不影響防水等級的基礎上同時必須具備散熱系統(tǒng)，以保證密閉空間內的溫度不至過高，有效地保護電池的安全和使用壽命。通風和散熱結構設計規(guī)則：

其一，進風口盡量位于車身風源豐富，并且沒有其他熱源的位置，防止通風不暢；其二，根據(jù)電池箱容量的大小和電池放熱特性匹配散熱風流量，并保證足夠的安全系數(shù)；其三，電池箱內部通過擋板等導流方式引導內部氣流流向，保證每個單體電池充分散熱；其四，進排風口盡量位于電池的箱上部2/3以上的空間，避免運行中有水進入；其五，如遇突發(fā)故障，必須保障電池電源器斷電后散熱風扇才切斷。

③動力插頭的可靠性防護：對于有防水要求的電池，動力的輸出是個難點。之前由于很少有防水的航插，只能通過在插接后在航插的外圍再做防水處理，這樣做不便于拆卸，并且可靠性也不強。隨著動力汽車的快速發(fā)展，相關的動力汽車電池用配套設備也有長足的發(fā)展，航插也不例外，目前市場上也越來越多專門針對防水要求的動力電池，其不但能滿足防水的要求，并有自鎖功能，在未檢修的時候也能滿足快速拔插的功能。

④電池的頂端面安全防護：整組的動力電池可能會由幾十個或更多的鋰電池串連或并聯(lián)，其大量連接件和電池本身的正極、負極都為裸露的，需要對其表面做一些絕緣處理，以減少裸露降低短路的風險，作為動力電池考慮到裝配工藝，電池的頂面一般都為帶電裸露部分，對于頂面的防護尤為顯得重要。基本的做法是先貼一層耐高溫膠帶，在鋪設一層絕緣阻燃的青稞紙，在外面再蓋一層1～2 mm有一定機械強度厚的絕緣板，在這種防護下，即使頂面收到撞擊變形，也不會導致電池之間的短路。

4 結 語

本文主要講述了鋰離子電池的發(fā)展、分類、結構、特點，并分析了動力汽車用鋰離子電池易出現(xiàn)的幾個安全性問題。為了保證動力汽車安全的運行，如何安全地防護，主要討論了從電池的絕緣防護和結構防護兩大方面來展開，并提出有效的解決方案，從根本上杜絕不安全的因素，保證電動汽車的安全運行。

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