你知道鋰離子電池起火的原因有哪些嗎？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-21 18:50
點(diǎn)擊量：次
作為純電動(dòng)汽車的能量來源，鋰離子電池起火的主要原因主要是電池過熱而造成的熱失控，這種過熱在電池充放電過程中最容易發(fā)生。由于鋰離子電池自身具有一定的內(nèi)阻，在輸出電能為純電動(dòng)提供動(dòng)力的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，使得自身溫度變高，當(dāng)自身溫度超出其正常工作溫度范圍間時(shí)將會(huì)損害整個(gè)電池的壽命和安全。純電動(dòng)汽車中，動(dòng)力電池系統(tǒng)是由多個(gè)動(dòng)力電池單體電芯構(gòu)成，在工作過程中產(chǎn)生大量的熱聚集在狹小的電池箱體內(nèi)，如果熱量不能夠及時(shí)地快速散出，高溫會(huì)影響動(dòng)力電池壽命甚至出現(xiàn)熱失控，從而引發(fā)起火爆炸等事故。從原理上說熱失控的原因主要有以下四個(gè)方面：
（1） 機(jī)械濫用
主要發(fā)生在汽車碰撞時(shí)，由于外力的作用，鋰電池單體、電池組發(fā)生變形，自身不同部位發(fā)生相對(duì)位移，導(dǎo)致電池隔膜被撕裂并發(fā)生內(nèi)部短路; 易燃電解質(zhì)泄漏最終引發(fā)起火。在機(jī)械濫用中，穿刺傷害最為嚴(yán)重，它可能會(huì)導(dǎo)體插入電池本體，造成正負(fù)極直接短路。相比之下，碰撞、擠壓等，只是概率性的發(fā)生內(nèi)短路，穿刺過程熱量的生成更加劇烈，引發(fā)熱失控的概率更高。
（2）電濫用
電濫用主要是對(duì)電池的使用不當(dāng)造成的，有外部短路、過度充電和過度放電幾種類型。其中，過渡放電導(dǎo)致的危害最小，但是由于過放造成的銅枝晶的增長(zhǎng)會(huì)降低電池的安全性從而增加熱失控的幾率。外部短路是在兩個(gè)存在壓差的導(dǎo)體在電芯外部接通導(dǎo)致的結(jié)果，當(dāng)外部短路發(fā)生時(shí)，電池產(chǎn)生的熱量無法很好的散去時(shí)，電池溫度也會(huì)隨之上升，高溫觸發(fā)熱失控。
過度充電是電濫用中危害最高的一種。由于過量的鋰嵌入，鋰枝晶在陽極表面生長(zhǎng)。其次，鋰的過度脫嵌導(dǎo)致陰極結(jié)構(gòu)因發(fā)熱和氧釋放而崩潰（NCA陰極的氧釋放）。氧氣的釋放加速了電解質(zhì)的分解，產(chǎn)生大量氣體。由于內(nèi)部壓力的增加，排氣閥打開，電池開始排氣。電芯中的活性物質(zhì)與空氣接觸以后，發(fā)生劇烈反應(yīng)，放出大量的熱，從而引發(fā)電池包的燃燒起火。
（3）熱濫用
熱濫用主要指在電池中的局部過熱，很少獨(dú)立存在，往往是通過機(jī)械濫用和電氣濫用發(fā)展而來，并且是最終直接觸發(fā)熱失控等事故的一種情況。熱濫用一般多為外部環(huán)境高或者在溫度控制系統(tǒng)不起作用下導(dǎo)致的電池?zé)崃窟^高從而造成的短路，從而引發(fā)熱失控。從原因上說，熱濫用的原因是最為復(fù)雜的，電池包的碰撞、損壞，電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、性能或是其他熱管理系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)的失靈都可能導(dǎo)致熱濫用的發(fā)生。
（4）內(nèi)部短路
內(nèi)部短路是由電池的正負(fù)極直接接觸，當(dāng)然接觸的程度不同，引發(fā)的后續(xù)反應(yīng)也差別很大，通常由機(jī)械和熱量濫用引起的大規(guī)模內(nèi)部短路將直接導(dǎo)致熱濫用。引發(fā)內(nèi)部短路原因同樣復(fù)雜，比如鋰離子電池過度充電，枝晶積累到一定程度導(dǎo)致刺穿電池隔膜，從而發(fā)生內(nèi)部短路 或是碰撞、穿刺傷害之后直接導(dǎo)致正負(fù)極接觸而導(dǎo)致熱失控。與外部因素產(chǎn)生的內(nèi)部短路相比，源于電池制造過程中自發(fā)的缺陷而引起的內(nèi)部短路，程度比較輕微，先天內(nèi)部短路產(chǎn)生的熱量很少，并不會(huì)立即觸發(fā)熱失控。而且這種內(nèi)在缺陷會(huì)經(jīng)過一段時(shí)間才會(huì)演化為程度較輕的內(nèi)短路。
針對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э氐那闆r，目前國內(nèi)主流的解決方法主要從外部保護(hù)和內(nèi)部改進(jìn)兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。外部保護(hù)主要是指系統(tǒng)方面的升級(jí)改進(jìn)，內(nèi)部改進(jìn)是指針對(duì)電池本身進(jìn)行提高。
（1）冷卻方式的提升
熱管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)控制溫度，確保電池一直處在一個(gè)合理的運(yùn)行溫度下。通常，熱管理系統(tǒng)由整車控制器控制，在電池包溫度異常時(shí)，通過空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)散熱或者加熱，保證電池安全以及壽命。電池的散熱方式根據(jù)導(dǎo)熱方式和介質(zhì)的不同而分為四項(xiàng)：空氣冷卻（風(fēng)冷）、液體冷卻（水冷）、相變材料（固體）、和結(jié)合冷卻（風(fēng)冷/水冷 + 固體冷卻）幾種。
（2）內(nèi)部材料及結(jié)構(gòu)的改進(jìn)
內(nèi)部改進(jìn)即從電芯內(nèi)部的材料結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改造，從而使電池具備更好的耐熱、散熱性能。以目前的研究熱點(diǎn)來說，發(fā)展固態(tài)電解液；對(duì)正負(fù)極進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造；以及引入安全性更高的隔膜材料都是從內(nèi)部提升電池?zé)嵝阅艿闹髁鞣椒ㄖ弧?/div>
保護(hù)措施
鋰電池芯過充到電壓高于4.2V后，會(huì)開始產(chǎn)生副作用。過充電壓愈高，危險(xiǎn)性也跟著愈高。鋰電芯電壓高于4.2V后，正極材料內(nèi)剩下的鋰原子數(shù)量不到一 半，此時(shí)儲(chǔ)存格常會(huì)垮掉，讓電池容量產(chǎn)生永久性的下降。如果繼續(xù)充電，由于負(fù)極的儲(chǔ)存格已經(jīng)裝滿了鋰原子，后續(xù)的鋰金屬會(huì)堆積于負(fù)極材料表面。這些鋰原子 會(huì)由負(fù)極表面往鋰離子來的方向長(zhǎng)出樹枝狀結(jié)晶。這些鋰金屬結(jié)晶會(huì)穿過隔膜紙，使正負(fù)極短路。有時(shí)在短路發(fā)生前電池就先爆炸，這是因?yàn)樵谶^充過程，電解液等 材料會(huì)裂解產(chǎn)生氣體，使得電池外殼或壓力閥鼓漲破裂，讓氧氣進(jìn)去與堆積在負(fù)極表面的鋰原子反應(yīng)，進(jìn)而爆炸。因此，鋰電池充電時(shí)，一定要設(shè)定電壓上限，才可 以同時(shí)兼顧到電池的壽命、容量、和安全性。最理想的充電電壓上限為4.2V。 鋰電芯放電時(shí)也要有電壓下限。當(dāng)電芯電壓低于2.4V時(shí)，部分材料會(huì)開始被破壞。又由于電池會(huì)自放電，放愈久電壓會(huì)愈低，因此，放電時(shí)最好不要放到 2.4V才停止。鋰電池從3.0V放電到2.4V這段期間，所釋放的能量只占電池容量的3%左右。因此，3.0V是一個(gè)理想的放電截止電壓。
