三元鋰電池的粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑、電極活性物質(zhì)的燃點(diǎn)較低，操作不當(dāng)時(shí)極易被引燃，發(fā)生熱失控后熱解氣體的爆炸極限范圍比常見烴類氣體還要大，而且單節(jié)鋰電池熱失控的氣體釋放量就能達(dá)到爆炸下限，從而發(fā)生劇烈的燃燒爆炸。

 

三元鋰電池?zé)崾Э刂鬅崃酷尫趴欤?分鐘內(nèi)就可釋放鋰電池內(nèi)部70%的能量，火焰溫度高或是迅猛，且電池單體形成的火焰會(huì)從正極噴射從而導(dǎo)致周圍電池失控產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使火災(zāi)發(fā)生后迅速進(jìn)入猛烈燃燒階段。高達(dá)800℃以上的火焰（常規(guī)汽油車約為400℃）極易引燃汽車內(nèi)飾或其他零部件，且電池平鋪在車輛底盤，分布廣、影響也就大。

 

 

鋰電池電解液大多是碳酸二乙酯、乙醚、碳酸丙烯酯等沸點(diǎn)較低的可燃有機(jī)溶劑，高溫下易揮發(fā)形成多種甲苯、苯乙烯、一氧化碳、氟化氫等有毒有害氣體。

 

 

特斯拉的電池包就是由7000多節(jié)圓柱電芯串并聯(lián)組合而成

 

三元鋰電池的燃燒滅火困難，鋰電池?zé)崾Э貢r(shí)一般伴有大量白煙、溫度高、能見度低且有大量腐蝕性氣體產(chǎn)生，使消防人員開展滅火工作產(chǎn)生困難。并且由于電池內(nèi)部組分提供了可燃物和氧化劑，干粉、泡沫等常規(guī)滅火劑基本不能夠熄滅電池著火。大量的水雖然可以冷卻電池系統(tǒng)起到一定的滅火作用，但在電池殼體發(fā)生破壞的情況下，電池內(nèi)活潑的金屬鋁遇水燃燒，反而可能加大火勢(shì)甚至引起爆炸。在文獻(xiàn)研究中有提到可采用亞納米級(jí)固相微粒和惰性氣體混合物的氣溶膠作為滅火劑。但……這并不常規(guī)。

 

 

所以我們看到，特斯拉在地下車庫內(nèi)著火之后，只能等待車輛完全燒完，而沒辦法施以有效的滅火手段，并且還需要封鎖車庫，避免人員第一時(shí)間進(jìn)入造成中毒。

 

☆易燃不代表危險(xiǎn)，汽油也易燃，失控才是

 

上邊頻繁提起的一個(gè)詞是熱失控，這是鋰電池發(fā)生自燃、危險(xiǎn)的主要原因。熱失控是指電池使用過程中產(chǎn)生的熱量無法散出，溫度異常升高反而導(dǎo)致電池內(nèi)部反應(yīng)更加劇烈，放出更多的熱，兩相促進(jìn)最終導(dǎo)致燃燒或爆炸。

 

 

比如這張圖：某NCM電池負(fù)極（材料為鈦酸鋰）的溫度與放熱曲線。正常的鋰電池在使用過程中BMS應(yīng)該將電池溫度控制在合理范圍內(nèi)。但如果電動(dòng)車的熱管理設(shè)計(jì)不好，可以看到，隨著電池溫度的上升，電池內(nèi)部自行產(chǎn)生了多個(gè)放熱峰值，80攝氏度左右SEI膜開始溶解，產(chǎn)生大量的熱，隨后溫度繼續(xù)上升135℃左右隔斷開始溶解，正負(fù)極短路，溫度急劇上升到200℃左右，正負(fù)極材料與電解液開始反應(yīng)，放熱量極大電池爆燃。

 

 

在溫度達(dá)到一定的閾值之前，過高的溫度雖然會(huì)導(dǎo)致電池的損壞，但并不是完全致命的，如果電池安全機(jī)制設(shè)計(jì)良好，還有機(jī)會(huì)壓制溫度，但到了某個(gè)閾值，形成了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，那爆燃就不可避免了。（各個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)隨鋰電池材料工藝不同會(huì)有區(qū)別，比如三元鋰電池的熱失控溫度在190℃左右，而磷酸鐵鋰的熱失控溫度在230℃左右）

 

 

因此，磷酸鐵鋰電池相對(duì)會(huì)比三元鋰電池更加安全，而另一邊，雖然都是易燃易爆品，但汽油的潛在危險(xiǎn)程度在經(jīng)過了汽車百多年來的發(fā)展，也已經(jīng)降的比還是新生事物的鋰電池更低，這一點(diǎn)不可否認(rèn)。

 

☆是什么導(dǎo)致了熱失控

 

但是，失控并不是那么容易發(fā)生的。為什么會(huì)發(fā)生熱失控？有電池的內(nèi)因（自發(fā)的），也有外因。什么叫內(nèi)因，那就是你正常使用，不磕不碰不犯錯(cuò)，電池內(nèi)部自己莫名其妙短路自燃了。只要是能夠通過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)的產(chǎn)品，這個(gè)概率是其實(shí)是很低的。

 

 

內(nèi)因受材料和工藝影響。磷酸鐵鋰就比三元鋰安全，因?yàn)樗臒崾Э販囟雀撸ㄈ?90℃，磷酸鐵鋰230℃），出問題的概率也就低。但目前來看，比起材料造成的差異，工藝的影響更大，比如電池制造過程中隔膜表面吸附有導(dǎo)電的金屬粉末、電池各部件尺寸不能精確匹配、電極片邊緣不平整、電解液分布不均勻、正極材料純度不夠等等都有可能造成電池內(nèi)部短路，導(dǎo)致不可逆的溫升起火。

 

外因和錯(cuò)誤的使用有關(guān)，包括過充、外短路、高溫、超壓和外力沖擊等。過充電會(huì)導(dǎo)致正極過度脫鋰而負(fù)極過度嵌入，產(chǎn)生鋰枝晶，對(duì)正負(fù)極造成不可逆的損壞并持續(xù)升溫。

 

鋰電池的壓力也可以分為內(nèi)壓和外壓，內(nèi)壓來自于電解液的熱膨脹、鋰枝晶形成、氣體轉(zhuǎn)變等；外壓來自于環(huán)境壓力、機(jī)械碰撞帶來的擠壓、壓力變化等，不論外壓還是內(nèi)壓，超過一定限度，電池內(nèi)部強(qiáng)度較低的隔膜、粘結(jié)劑就會(huì)產(chǎn)生變形、導(dǎo)致鋰電池內(nèi)部短路工作異常，引發(fā)事故。

 

外力的沖擊、振動(dòng)、跌落、擠壓、穿刺等行為也會(huì)導(dǎo)致電池隔膜破裂并致使短路，對(duì)于電池組，外力也可能導(dǎo)致控制芯片及器件的損壞，進(jìn)而引發(fā)劇烈燃燒乃至爆炸事故。相對(duì)于磷酸鐵鋰電池，三元鋰電池在面對(duì)針刺和外部高溫試驗(yàn)時(shí)溫升更大，毒性氣體釋放量也更大，熱失控溫度低，潛在危險(xiǎn)也更高。

 

但有什么辦法呢？電動(dòng)車想要跑得遠(yuǎn)，能量密度就得高，三元鋰電池才能夠符合要求，至于安全，就得看車企BMS、電池封裝等的水平了。

 

☆不僅要電池強(qiáng)，電堆/電控更要強(qiáng)

 

電池作為一個(gè)危險(xiǎn)品是確定的事實(shí)，車企的工作就是將這種危險(xiǎn)降到最低。怎么做？一預(yù)防，二避險(xiǎn)。動(dòng)力電池的應(yīng)用安全是一個(gè)系統(tǒng)工程，在不能保證電池?zé)崾Э赝耆话l(fā)生的情況下，要通過BMS、TMS、熔斷保護(hù)、熱障、結(jié)構(gòu)集成等，在成組設(shè)計(jì)中設(shè)置多重的安全保證。

 

 

過充放是導(dǎo)致鋰電池產(chǎn)生熱失控的重要原因之一。因此，電池管理系統(tǒng)BMS就需要防止電池過充放。這并不簡(jiǎn)單，由于生產(chǎn)一致性問題，每顆電池單體的特性必然存在差異，可能有的電池已經(jīng)充滿了，而另一部分則還需要充電，此時(shí)，BMS就需要第一，估測(cè)電池的荷電狀態(tài)（SOC），保證電池的電量始終在合理的狀態(tài)，第二，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池組中電池單體的端電壓、充放電電流等， 避免出現(xiàn)過充和過放現(xiàn)象。第三，為每個(gè)電池單體均衡充電，保證電池組內(nèi)部單體的一致性。還需要考慮鋰電池在使用過程中老化情況的不一致性，估算電池的SOH（State of Health電池健康狀態(tài)），7000多節(jié)電池單體，控制的難度可想而知。

 

 

這是過充放的預(yù)防，當(dāng)鋰電池因?yàn)槠渌颍ㄅ鲎?、變形、環(huán)境溫度過高等等）產(chǎn)生潛在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，控制器應(yīng)能夠及時(shí)通過各種措施（強(qiáng)迫空氣對(duì)流法、液冷法、相變材料法等）控制電池溫度。當(dāng)電池產(chǎn)生明火時(shí)，激活電堆內(nèi)部的滅火程序。而被動(dòng)的電池包裝設(shè)計(jì)則需要組織降低險(xiǎn)情的蔓延速度，通過不同電池模組之間的隔斷以及外部短路的管控，降低電池發(fā)生爆燃的速度，讓人有足夠的時(shí)間逃生。

 

 

 

特斯拉爆燃時(shí)，16個(gè)模組中也只有靠近車頭的4個(gè)模組被燒毀，其余模組并沒有起火燃燒（圖片來源微博@愛小車）

 

鋰電池單體自身也應(yīng)設(shè)有安全保障，比如最簡(jiǎn)單的熱敏電阻開關(guān)（保險(xiǎn)絲），當(dāng)電池溫度異常上升，它的阻值隨之上升，當(dāng)溫度過高時(shí)，會(huì)自動(dòng)停止供電；還有適當(dāng)?shù)母裟ぴO(shè)計(jì)，當(dāng)溫度上升到一定程度時(shí)，提前熔斷，阻止鋰離子通過，中斷放電反應(yīng)；針對(duì)電池產(chǎn)氣，設(shè)置安全閥（氣體通孔），避免電池內(nèi)壓過度升高等等。