课题承担单位：天津大学
一、研究背景
自锂离子电池商业化以来，其发展促进了消费电子、新能源汽车等领域的快速发展 。特别在电动汽车领域，高能量密度、高安全的锂离子电池是解决其“里程焦虑”和“安全焦虑”的重要途径。然而 ，在技术的不断迭代和研发过程中，由锂离子电池引发的电动汽车相关安全事故也不断发生至 ，造成了人员和财产的损失 ，锂离子电池运行过程中的安全风险极大影响了锂离子电池的实际应用 ，其安全性和稳定性成为了锂离子电池技术持续发展过程中面临的关键技术难题。电池的安全设计和检验需要标准法规进行规范和指导，目前，国内外各主要汽车国家针对自身行业特点均制定了可充电储能系统安全相关的标准法规 ，并在不断的进行补充和完善中。中国的动力电池安全标准，从2006年的汽车行业标准QC/T 743，到2015年的国家推荐性标准GB/T 31485和GB/T 31467，再到2021年发布的国家强制性标准GB 38031，见证和支撑了中国新能源汽车产业的发展和进步 。
随着行业经验的积累和新能源汽车大规模推广，中国动力电池安全标准内容逐步完善 ，我国新能源汽车年产销量已经突破百万辆，GB 38031基于我国新能源汽车大规模推广应用经验 ，技术内容更加科学合理。为了进一步提高国内动力电池的产品质量，推动电动汽车高质量发展，迫切需要规范和进一步完善动力电池的设计、制造、检测、安装 、验收等方面的相关标准，建立与完善电动汽车的相关标准体系 。天津大学凌国维主持的“车用锂离子动力电池热安全性机理及相关安全标准实施效果研究”项目聚焦锂离子电池热安全问题，旨在明晰热安全机理 、标准发展现状 、标准测试技术合理性与科学性等问题，为技术发展与行业标准提供理论与技术支撑 ，为行业发展规划提供政策建议 。
二、研究目标
1. 系统梳理电池热安全机理研究、标准测试及防护设计研究现状，阐明动力电池热失控和热扩散机理；
2．阐明电池单体层级热失控触发与扩散机理 ，构建系统层级热失控和热扩散模型与预测机制，从电池单体 、系统等层面提出安全防护策略；
3. 对动力电池热稳定性测试标准方法的科学合理性进行验证分析，提出标准化建议。
三、研究内容
1．动力电池热安全机理及标准现状分析研究 。总结锂离子动力电池热安全机理及相关国际国内标准法规，对标准测试方法如热失控触发形式、试验方法、判定标准等进行系统研究比对，阐明电池热安全测试标准及防护设计研究现状。
2. 动力电池单体及其关键材料热稳定性研究 。系统归纳了电池单体各组分发生不可逆热失控的原因 ，全面分析电池正极、负极、电解液和隔膜的改进策略，从材料选择、制造工艺等角度提出电池系统最小单元的安全防护策略。同时从系统层级角度，初步开展电池热扩散产生原因的调研分析，进而对防止锂离子电池热失控提出发展建议。
3．动力电池系统热安全预测与标准验证。开展行业 、企业调研 ，深入了解电芯供应商与车企之间产品与技术标准的对接匹配度 ，着重针对热安全相关安全性标准的实施成效进行调研 ，推进电池热稳定性安全测试标准的技术支撑体系建立，为标准的贯彻实施向行业提供技术指导。
四、研究成果
1.《动力电池热失控和热扩散机理研究报告》
经过多年的技术发展，动力电池的市场已经超越了3C消费电子类锂离子电池 ，随着全球能源危机和环境污染问题日益突出 ，动力电池受到人们更加广泛的关注 。目前更高的能量密度是未来动力电池发展的主要方向，为了满足这一目标 ，人们在开发电池的过程中不断地追求更高的比能量，更快的充放电速度以及更长的使用寿命，在这过程中安全问题接踵而至，热失控是锂离子电池最为严重的安全问题，会导致锂离子电池发生起火、爆炸，严重威胁使用者的生命和财产安全 。
为了降低锂离子电池的热失控危害，必须适当地采取有效的措施 ，相比于设计电池组预警和补救系统，使用本质上安全的材料 ，设计安全稳定的电池内部组件更有利于从源头解决锂离子电池的安全问题 。本报告系统归纳了电池单体各组分发生不可逆热失控的原因，全面分析电池正极、负极、电解液和隔膜的改进策略 ，从材料选择、制造工艺等角度提出电池系统最小单元的安全防护策略。
针对动力电池热失控问题，电池单体组分未来发展有如下几个方向：
（1）正极：结构稳定的磷酸铁锂和高能量密度的三元材料具有本征优势；表面涂覆可以阻止正极与电极液的直接接触 ，抑制副反应的发生，同时可减少由副反应引发的相变 ，显著提高正极的结构稳定性；插层型正极与电解液发生副反应产生的O2会导致微观结构缺陷，如在电池内部形成大孔 ，从而对电池的电化学性能及安全性产生严重影响，元素替代可以有效地改善插层型正极材料的热性能，稳定其晶体结构 ；热敏正极材料控制电池开关可以通过迅速去除电极之间或电极内部电子或离子的方式 ，快速中断电池反应，提高正极稳定性。
（2）负极 ：石墨负极作为当前主流负极材料性能已达理论上限，硅碳负极是极具潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材料；关注SEI和锂枝晶形成 ，在负极表面制备一层具有良好热稳定性和机械性能的“人工”SEI层成为一种有效的负极改性方法。
（3）电解质 ：固态电解质不容易泄漏，具有低可燃性 、高机械强度、良好的可加工性和优越的热稳定性 ，是实现超高能量密度锂电池的必经之路；在液体电解质中加入阻燃添加剂被认为是热失控保护最有效的技术之一，阻燃剂通过抑制火灾产生的三个关键元素：热量 、燃料和氧气，来降低液体电解质的可燃性；通过添加氧化还原保护添加剂维持正极电位或添加切断式添加剂及时终止电池运行，防止造成过充危险；热敏开关保护添加剂可感应温度的变化，促使液体电解液在高温下发生物理化学性质的改变，从而关闭锂离子电池中的电路，防止热失控 。
（4）隔膜：提高隔膜机械强度，降低热收缩；提高隔膜热稳定性，增强锂
离子电池的阻燃性和安全性；通过有效的策略制备热响应隔膜材料来监测电池的运行状态 ，必要时减缓甚至关闭电池反应。
2.《动力电池系统热扩散测试评价方法研究报告及标准化建议》
本报告主要包括两部分内容 ：
（1）动力电池热安全标准分析与研究：系统梳理国内外关于锂离子动力电池热安全相关国际国内标准法规，对标准测试方法如热失控触发形式、试验方法、判定标准等进行系统研究比对，阐明电池热安全标准测试及防护设计研究现状。
（2）动力电池系统热安全预测与标准验证：开展行业、企业调研，深入了解电芯供应商与车企之间产品与技术标准的对接匹配度 ，着重针对热安全相关安全性标准的实施成效进行调研，推进电池热稳定性安全测试标准的技术支撑体系建立，为标准的贯彻实施向行业提供技术指导。
结合GB38031-2020热失控调控实施情况调查结果，形成主要结论如下：
1. 标准宣贯与落实到位。企业能够主动参与标准宣贯会，并在内部开展培训、解读 ，保持与工作组沟通，解决技术疑问。
2. 通过不同技术路线实现满足标准要求。企业通过创新监测、传感技术，提高电池密封 、绝缘等物理手段 ，确保对危险的预防以及预警。
3. 热失控判定条件较为单一。目前主要以温度以及电压变化作为检测手段，少部分企业采用气体或气压。
形成标准化建议如下 ：
1. 追踪前沿技术，优化热失控判定标准目前热失控判定或预警标准通常为在电池舱内监测温度、气压，或监测电池电压，监测信号存在滞后，无法在热失控发生第一时间实现实时 、原位监测 。应追踪电池预警相关技术，如与相关单位合作开展电池内部温度（光纤监测）、气体监测（如特征气体H2等）装置研发工作，并将相关技术推广至企业，进一步提升预警监测的准确性 、时效性。
2. 引入人工智能预测技术，开展电池寿命安全预测一方面 ，针对电池材料 、结构和使用条件 ，开展大数据分析，利用人工智能算法预测电池参数变化 ，设置合理电池使用周期，避免过度使用造成热安全问题 ；实时监测电池数据，对电池性能实时开展计算分析预测，相比参数监测 ，实现早预测、早预防 、早预警 。
3. 实施产品体系分类化、精细化管理针对不同应用场景，电池体系（如能量型、功率型）不同，其热安全性以及所需预警级别、方式及处理手段不同，建议针对不同车型、应用场景开展针对性标准，促进产业良性发展 。
4. 进一步开展企业调研，了解实施过程中存在的问题面对问卷中企业出现的相关疑问 ，如“若电池包发生热失控时只有短时间的轻微冒烟电池包没有发出报警是否满足标准要求？整车在“非行车”过程中发生热失控是否必须有报警信号发出？”。应进一步开展持续性 、针对性企业调研，发现标准实施过程中产生的新问题，提出新思路和新方案。
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