動力電池安全性是新能源汽車大規模推廣應用過程中，各方最關注的焦點問題之一。這里闡述鋰離子動力電池作為車用電源系統的安全性問題及其有效的解決方案。

動力電池系統安全性問題主要分為3個層次，即“演變”、“觸發”和“擴展”。“演變”是指動力電池安全性事故發生之前，故障可能經歷了長期的演化過程；“觸發”是“演變”過程的轉折點，也可以是突發情況破壞了動力電池系統，并導致安全性事故。在動力電池安全性事故“觸發”問題上，最為核心的問題是鋰離子動力電池的熱失控。熱失控“觸發”發生后，應防止熱失控“擴展”的發生。

以下我們首先從近年的一些鋰電池安全故事切入，引出“演變”、“觸發”和“擴展”的概念。之后，將就這3個層次一一展開說明。

1鋰動力電池安全事故回顧

表1為不完全統計得到的近年來發生的鋰離子動力電池事故。圖1列舉了表1中部分事故所對應的圖片。

可以看出，鋰離子動力電池事故主要表現為因熱失控帶來的起火燃燒。起火燃燒是令人擔憂的安全性問題，但事實上，目前發生的事故所造成的危害有限，除電池組燃燒、損壞車輛本體、引燃周圍車輛之外，發生人員傷亡的情況較為罕見。

大部分事故中，人員能夠及時得到危險警示并安全撤離事故現場。事故4(比亞迪出租車碰撞起火事故)中的人員傷亡主要是由于高速碰撞造成車內乘員昏厥而無法逃生，事故5(波音787電池起火事故)中的人員受傷是由于飛機緊急降落后的疏散過程中發生的摔傷。

鋰離子動力電池系統由多節電池組成，實際的車載工作條件復雜，其安全性問題表現為3個層次(圖2)。

1)電池系統安全性的“演變”。安全性事故發生前，有兩種情況。一種是電池系統長期老化帶來的可靠性降低，也稱之為安全性“演化”，比如表1中的事故1、2、3、5；另一種是突發事件造成電池系統損壞并引發電池熱失控與起火燃燒，也稱之為安全性“突變”，比如表1中的事故4和6。安全性的“演化”與“突變”統稱為“演變”。

2)電池系統安全性事故的“觸發”。電池系統長期老化與突發事件造成的電池系統損壞，可能會進一步“演變”為鋰離子動力電池的熱失控與起火燃燒。鋰離子動力電池從正常工作到發生熱失控與起火燃燒的轉折點稱為“觸發”。

3)電池系統安全性事故的“擴展”。單體電池或電池組內部分電池發生熱失控“觸發”之后，熱失控與燃燒短時間內放出大量的熱量。這些熱量向周圍電池與電池系統附件傳遞，會帶來相應的次生危害，如周圍電池依次發生熱失控與燃燒，或火焰傳播點燃車內線束與內飾等。這類熱失控與起火向周圍傳播的現象稱為事故的“擴展”。

2鋰動力電池安全性“演變”

安全性事故發生前有兩種情況。一種是電池系統長期老化帶來的可靠性降低，也稱之為安全性“演化”，如表1中的事故1、2、3、5；另一種是突發事件造成電池系統損壞并引發電池熱失控與起火燃燒，也稱之為安全性“突變”，如表1中的事故4和6(Tesla高速撞擊起火事故)。

從時間尺度上看，安全性演化的耗時很長，而安全性突變的耗時很短。例如，事故1(普銳斯電池冒煙起火事故)屬于安全性演化，因裝配問題造成的接頭松動之前，電池經受了長期的車載振動;事故5(波音787電池起火事故)中屬于安全性演化，從設計缺陷到內短路觸發之前，電池需要經歷長期的內短路“生長孕育期”及長期的不合理使用；而事故6屬于安全性突變，動力電池組受到瞬間撞擊后機械變形，電池不僅受到擠壓并且發生位置移動，從而造成短路與熱失控。

相比而言，安全性突變難以預測，但是可以通過既有事故的形式來改進電池系統的設計;而安全性演化耗時長，伴隨有電池系統的老化，可以通過檢測電池系統的老化程度來評估電池系統安全性的變化。

電池系統任何部件的老化都可能帶來安全事故的觸發。事故1(普銳斯電池冒煙起火事故)中，錯誤的裝配順序使得電池連接線接頭在長期車載振動條件下發生松動，繼而導致接頭處電阻增大。

而混合動力電動車行駛過程中，電池充放電的電流在松動的接頭處產生大量的熱量，加熱了部分電池，最終導致電池熱失控事故的發生。事故7中，電池管理系統的失效，造成電池組長期持續過充電，最終導致熱失控事故的發生。

除了電池系統其他部件的老化之外，電池本身的安全性演化主要表現為內短路的發展。內短路被認為是系列事故5的主要原因。內短路在最終發生之前，會經歷相當長的“生長孕育期”。鋰離子動力電池發生內短路的原因很多，其中電池內部的金屬枝晶生長是造成內短路的主要原因之一。

金屬枝晶生長可以來自電池正極中的過渡金屬(銅、鐵等)的溶解與再生長，也可以來自鋰金屬的析出與生長。電池設計與生產過程中的缺陷會有利于金屬枝晶的生長，比如電池在制造過程中混入的雜質，或者電池極片由于裝配應力作用發生的褶皺，金屬枝晶在雜質和褶皺附近更容易生長。鋰金屬的析出與生長還與充電倍率，充電溫度相關。大倍率充電或低溫充電都可能增加鋰金屬析出的可能。

如圖3所示，金屬枝晶的長期生長可能會擠入隔膜的孔隙，并最終刺穿隔膜，造成內短路甚至熱失控事故。需要注意的是，鋰枝晶生長刺穿隔膜導致熱失控之前，老化電池的安全性相對新鮮電池而言已經發生了變化：一方面，由于能量密度的降低，電池熱失控造成的危害可能會降低；但另一方面，由于內部金屬枝晶的存在，老化后的電池可能更容易發生熱失控。