究竟鋰電池為什么會自燃？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-08-13 14:35
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自燃原理
鋰是世界上最活潑的金屬。鋰離子電池體積小容量密度高，高能量密度的特性讓其成為電動汽車的首選。鋰離子電池在工作中是利用鋰離子得失電子和遷移聚集來實(shí)現(xiàn)電能的儲存的。
在電池充電時，正極里的鋰原子會喪失電子成為鋰離子，產(chǎn)生電勢差。電解介質(zhì)中的鋰離子在電勢差的作用下，向負(fù)極遷移聚集。放電時，整個程序倒過來。整個工作過程是由電極內(nèi)的鋰金屬得失和電解液中的電子、鋰離子的遷移來共同完成的。
然而，鋰的化學(xué)特性太活潑。鋰金屬暴露在空氣中，會與氧氣產(chǎn)生激烈的氧化反應(yīng)，從而產(chǎn)生燃燒、爆炸。
因此，在鋰電池的實(shí)際應(yīng)用中，科學(xué)家們千方百計(jì)地防止電解液中的鋰離子向鋰金屬轉(zhuǎn)化，并把金屬鋰鎖在石墨或鋰化合物中，人們常常聽說的，磷酸鐵鋰、鈷酸鋰就是儲存鋰原子的材料。
同時，為了防止空氣進(jìn)入電池內(nèi)部，還采取了一系列的防護(hù)措施。這使得鋰金屬不會與氧氣接觸而發(fā)生爆炸。
在使用中，鋰電池之所以會發(fā)生自燃，就是由于防護(hù)措施不到位或產(chǎn)生了嚴(yán)重的外力破壞，導(dǎo)致防護(hù)失效，而使得金屬鋰與空氣接觸所造成的。
常見的防護(hù)措施
外殼防護(hù)，為了防止空氣進(jìn)入，鋰電池都被封裝在密閉容器沖，并為了防止外力破壞通常配以不銹鋼外殼和鋁合金外殼。例如，特斯拉的電動汽車，甚至采用了鈦合金防護(hù)板，以防止汽車使用中，尤其是交通事故中對電池容器的損傷。
隔膜阻斷保護(hù)，在防止外力破壞的同時，還要防止來自電池內(nèi)部產(chǎn)生的破壞。
通常為了防止電池的正負(fù)極直接碰觸而短路，電池內(nèi)會有一層隔膜，一方面將正負(fù)極隔開，一方面又允許帶電離子通過。
然而，在鋰電池中，隔膜還承擔(dān)著另一項(xiàng)防護(hù)職能。在電池溫度過高時，隔膜空隙會自動關(guān)閉，讓鋰離子無法穿越，從而終止整個電池的反應(yīng)。從而防止了電池由于溫度過高，使得其中的電解液氣化產(chǎn)生高壓，破壞電池密封結(jié)構(gòu)的問題。
過充電壓防護(hù)，不僅空氣要被阻隔在外，還要防止金屬鋰從電極中外泄。
科學(xué)家們通過電極材料的納米空隙和材料晶格機(jī)制，來存放和鎖住在充放電中形成的金屬鋰。
這樣一來，即使是電池外殼破裂，氧氣進(jìn)入，也會因氧分子太大進(jìn)不了這些細(xì)小的儲存格，而避免自燃的產(chǎn)生。
然而，用過高的電壓或充滿后繼續(xù)過長時間的充電，會對鋰電池產(chǎn)生十分危險的損害。
鋰電池充電電壓在高于額定電壓(一般是4.2V)后，如果繼續(xù)充電，由于負(fù)極的儲存格已經(jīng)裝滿了鋰原子，后續(xù)的鋰離子會堆積于負(fù)極材料表面。這些鋰離子由于極化作用，會形成電子轉(zhuǎn)移，形成金屬鋰，并由負(fù)極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結(jié)晶。
這些沒有電極防護(hù)的金屬鋰一方面極為活潑，容易發(fā)生氧化反應(yīng)而發(fā)生爆炸。另一方面，形成的金屬鋰結(jié)晶會穿破隔膜，使正負(fù)極短路，從而引發(fā)短路，產(chǎn)生高溫。在高溫下，電解液等材料會裂解產(chǎn)生氣體，使得電池外殼或壓力閥鼓漲破裂，讓氧氣進(jìn)入，并與堆積在負(fù)極表面的鋰原子反應(yīng)，進(jìn)而發(fā)生爆炸。
鋰電池充電時，一定要設(shè)定電壓上限和過充保護(hù)。在正規(guī)電池廠家出產(chǎn)的鋰電池中，都裝有這樣的保護(hù)電路。當(dāng)電壓超標(biāo)或電量充滿時自動斷電。
其實(shí)自燃并不容易
在品質(zhì)合格的外殼、隔膜、電路重重防護(hù)下，鋰電池發(fā)生自燃其實(shí)絕非易事。
尤其在無機(jī)材料鋰電池中，例如，磷酸鐵鋰電池，由于電池不像三元鋰電池中采用了有機(jī)材料，即使電池內(nèi)部發(fā)生了材料破壞和短路，產(chǎn)生的高溫也不會使得無機(jī)材料分解而產(chǎn)生高壓氣體，進(jìn)而爆炸自燃。在實(shí)驗(yàn)中，合格的磷酸鐵鋰電池即使被投入柴火中(柴火溫度低于600℃)，也不會發(fā)生爆炸和自然的情況。
同時，與新能源汽車發(fā)展前期廠家對車輛實(shí)際使用中防護(hù)措施認(rèn)識不到位的情形相比，目前，經(jīng)過數(shù)十年的摸索和全球百萬輛新能源汽車的實(shí)際使用，從電池廠家到汽車廠商已經(jīng)積累了足夠的經(jīng)驗(yàn)。
鋰電池的外殼防護(hù)強(qiáng)度得到大大加強(qiáng)，即使在整車解體這樣的嚴(yán)重交通事故情況下，電池的防護(hù)依然可以有效。
在電池隔膜的選用中，廠家也充分意識到采用帶自保護(hù)功能隔膜的重要性。目前，一般優(yōu)質(zhì)的鋰電池產(chǎn)品都已經(jīng)使用了這種技術(shù)。而對于防過充電子保護(hù)裝置的應(yīng)用，則早已成為了國家強(qiáng)制的標(biāo)準(zhǔn)。合格的電子保護(hù)裝置和成熟的電池組管理系統(tǒng)，已經(jīng)使得新能源汽車鋰電池發(fā)生自燃的幾率大大降低。
以目前導(dǎo)致新能源汽車發(fā)生自燃的案例來看，沒有一個是由于正常行駛狀況下電池組自燃爆炸造成的。更多的新能源汽車鋰電池的爆炸自燃來自于極為嚴(yán)重的交通事故和車內(nèi)電器設(shè)備的不當(dāng)改裝。在近千度的高溫炙烤靠下，鋰電池才最終被引燃。
