一、研究背景
随着电动汽车的动力性、快速充电等需求的增长 ，及大容量、高比能量动力电池的应用 ，动力电池热安全技术越来越受到关注。其中，动力电池热失控后的产气量、产气流速 、气体成分等是评估电池乃至电动汽车安全性能的一个重要参数 。近些年，国内外开展了许多关于电池排气安全方法的研究，欲建立可行有效的评估方法来判断电池热失控后带来的负面影响。
对电动汽车动力电池排气安全标准的研究，规范动力电池热失控排气安全测试方法，形成统一的测试标准在行业内应用，有助于建立健全电动汽车标准体系建设 ，促进电动汽车产业健康安全绿色发展。同时，国内预研动力电池排气安全标准，与国际标准法规接轨，利于掌握国际标准法规话语权。
二 、研究目标
1．系统梳理国内外动力电池排气机理与排气检测方法 ，形成研究报告。
2．开展动力电池排气安全测试方法研究，建立涵盖动力电池单体、模组不同级别的动力电池排气测试方案 。
3．研究动力电池单体 、模组、电池包等不同级别的动力电池排气测试结果之间的关联性，提出初步的换算方法 。
三 、研究内容
1．动力电池排气机理与排气检测方法分析研究。梳理了国内外对动力锂电池的排气机理和排气检测方法的研究进展，总结了动力锂电池的主要产气组分及来源，归纳了当前不同层级动力电池排气研究方法。
2．动力电池单体 、模组层级排气安全测试方法研究。分析了试验方法的重复性、环温差异性、取样位置、取样时间、触发方式、测试氛围等关键影响因素 ，建立了涵盖动力电池单体、模组级别的排气测试方案。
3．研究单体、模组电池在密闭环境下使用加热、过充的方式触发热失控后的产气情况，分析了其产气成分 、体积、泄压压力、温度、电压等多个物理量进行分析；分析了模组测试的相关数据与单体数据的关联性 ，找到相关的耦合关系 ；通过单体与模组的测试数据对比 ，耦合关系，结合仿真建模分析了电池包的排气测试，并与试验结果进行了对比分析。
四 、研究成果
1.动力电池排气机理与检测方法研究
电动汽车用动力锂电池在内部缺陷（如内短路）或外部滥用（如过充 、过放电）条件下可能发生热失控 ，其过程通常会释放大量包含有毒有害 、易燃易爆气体的烟雾 。因此，为提高对动力锂电池安全性的认识，有必要对电池的排气过程进行深入研究，理清电池内部产气反应机理，研究动力锂电池热失控产气特性，这将对提高电池的安全设计、电动汽车的提前预警 、人员的安全防护、事故的应急救援具有积极作用。基于此，本文详细梳理了国内外对动力锂电池的排气机理和排气检测方法的研究进展，为电池排气检测技术研发和标准化工作提供参考。
（1）针对动力锂电池热失控排气的主要成分 ，主要气体来源如下：
CO的来源主要可以分为三类：一，电解液溶剂在负极表面发生的还原反应 ，此过程发生在电池首次充电过程中负极表面形成SEI膜阶段，同时电池在不断循环中负极材料发生应变导致SEI膜破裂，电解液重新与负极活性材料表面接触形成新的SEI膜 ，整个过程都会伴随CO的生成；二 ，CO2在负极发生的还原反应；三，电解液溶剂在正极发生不充分的氧化反应 ，研究表明，当电池电压达到4.5 V（vs. Li/Li+）左右时电解液便开始发生剧烈的氧化分解反应，形成不可溶的Li2CO3和气体等产物。
CO2的产生则主要是由于正极材料分解 、SEI膜分解及微量杂质参与反应引起 ：一，正极材料在过度脱锂状态下稳定性差，容易发生结构坍塌释放活性氧将电解液溶剂氧化，产生大量的CO2 ；二，随着电池内部温度升高 ，负极表面的SEI膜在90~120℃发生分解释放CO2，也有文献报道SEI膜可能在更低的温度69℃就开始分解；三，电解液中不可避免的微量杂质(HF和H2O等)与SEI膜反应产生CO2。
H2的产生主要来源以下几个方面：一 ，电池内部少量水分的分解 ，在第一个充放电循环及电压在4.0V下产生H2；二，水分和电解液中的氢原子被负极活性锂离子还原生成氢气；三，粘接剂与金属锂之间的反应，商用锂离子电池的粘接剂通常为聚偏氟乙烯（PVDF）和羧甲基纤维素钠（CMC） ，在高温条件下两种粘接剂均会与锂发生化学反应产生H2。
有机类气体的生成主要是由于电解液溶剂在负极发生还原反应 。
电解液的氧化分解离不开O2的参与 ，而O2的产生与正极材料的结构稳定性密切相关。不同正极材料的组成和结构不同，稳定性会存在差异，稳定性越差越容易分解。对于常见的正极材料，稳定性排序如下 ：LFP＞LMO＞NCM＞NCA＞LCO。
（2）针对不同层级的动力锂电池，热失控排气的主要检测方法如下 ：
在动力电池排气安全技术研究方面，单体层级以密闭容器测量为主的测试方法已经较为成熟，可实现电池热失控过程产气量 、产气速率和产气成分的测量。模组/电池包层级的排气安全测试方法主要有密闭容器测量、敞开环境测试法、采用UL9540A用烟道收集气体取样检测以及利用单体试验数据进行结果换算等方法。当前虽然模组/电池包层级的排气安全方法较多，但是受测试能力 、测试成本及测试结果难以对应实车应用场景等多方面因素的影响 ，国内外尚未形成公认的可行性最优方法。
在标准法规方面，GB/T 40433—2021《电动汽车用混合电源技术要求》对电池的排气安全做了相应的要求，GB 38031中也规定了电池热扩散的方法 ，但是并未对动力电池的排气安全测试方法及气体分析等做进一步的规定 ；联合国电动汽车安全全球技术法规第二阶段中已经展开了排气安全的相关研究 ，尽管国内 、外关于动力电池排气检测已经开展了许多研究，但是缺乏足够的数据支撑检测方法的合理性和重复性 ，因此目前尚未形成国内外均认可的检测标准。
2.电动汽车用动力电池热失控排气测试方法
本课题开展了动力电池单体 、模组层级排气安全测试方法研究。分析了试验方法的重复性 、环温差异性、取样位置、取样时间 、触发方式、测试氛围等关键影响因素，建立了涵盖动力电池单体、模组级别的排气测试方案。形成了企业标准《电动汽车用动力电池热失控排气测试方法》，标准框架如下图1所示。提报行业标准QC/T《电动汽车动力蓄电池排气试验方法》 ，已经通过工信部立项答辩 。
图1 《电动汽车用动力电池热失控排气测试方法》标准框架
3.不同层级动力电池排气安全测试与仿真
本课题开展了动力电池单体、模组的排气安全测试方案验证试验 ，建立了动力电池单体与模组排气测试结果之间的关联性，结合仿真建模分析了电池包的排气测试，并与试验结果进行了对比分析 。取得的具体成果如下：
（1）研究单体电池在密闭环境下不同触发方式的热失控排气行为 ，加热和过充两种方式均可以有效触发电池发生热失控。相比于加热 ，过充热失控排气行为更剧烈，产气量更多，产气成分中CO2含量更高、CO则更低，由于充电引入能量不同 ，其最终导致的热失控排气一致性相对较差。
（2）通过单体与模组之间的排气数据对比 ，可以获得最大气压、产气体积与电池组中发生热失控电池的数量成正比，且这种正比关系与电池组之间的串、并联连接相关性不大。电池组在热失控扩散中的温度分布呈现出中间高两端低的特点，电池数量越多，大面最高温度越高，气体最高温度也呈现出小幅度增大 。在不同电池数量的热失控排气中，H2 、CO2 、CO、烃类物质及衍生物的含量分别在一定范围内波动。
（3）通过试验结果与电池包的仿真分析结果对比，两者差异在合理范围内，验证了建模的合理性 。因此，可以通过仿真模拟电池包或系统的热失控蔓延情况，分析气体压力、温度；同样的，结合系统的热扩散试验 ，判别发生热失控电池的数量 ，可也推断系统内部的产气压力 ；在气体成分上，基于不同电池组的热失控产气成分相同 ，且均在一定范围内发生波动，因此可以推测电池包或系统的热失控气体含量分布在相应范围内 。
本课题的研究，一方面，可实现大规模电池系统热失控引发的排气危险程度预测 ，从而避免对大型电池系统热失控排气安全直接测试；另一方面，推动行业内电动汽车动力电池排气安全标准的制定，同时为优化产品的结构、热管理等设计及整车安全防护设计提供参考数据及依据。
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