鋰電池火災(zāi)原因

鋰電池起火原因，可以劃分成兩個大部分，自身原因和外部原因。自身原因主要是指自身材料、結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性的好壞，對火災(zāi)發(fā)生與否的影響；外部原因，指各種濫用手段，引發(fā)的鋰電池火災(zāi)。

1.1自身原因

鋰電池由正極材料，負極材料和電解液組成，這幾部分的熱穩(wěn)定性，直接影響著電芯發(fā)生熱失控的可能性。

負極材料的熱穩(wěn)定性的影響因素

目前應(yīng)用的負極材料，絕大部分是碳材料。在高溫條件下，石墨容易與電解液發(fā)生反應(yīng)，尤其電池荷電量高的狀態(tài)，LiC6更是能夠提升反應(yīng)的激烈性。

有研究發(fā)現(xiàn)，負極開始反應(yīng)放熱的溫度起點，與碳材料的顆粒度有關(guān)，顆粒越大，其開始反應(yīng)的溫度就越高，也就越安全。同時，不同結(jié)構(gòu)的碳材料參與電解液的反應(yīng)，其放熱量并不相同，石墨就比無定型碳（主要指軟碳和硬碳）放熱量大。

正極材料熱穩(wěn)定性的影響因素

當(dāng)前應(yīng)用廣泛的鋰電池正極材料，都是鋰的化合物。磷酸鐵鋰，錳酸鋰和三元鋰，如果泛泛的說，三者的安全性是從高到低排列的。而有人專門對正極材料在這些電池安全性中的影響做了研究。

研究認為，鋰的化合物分子式中，鋰的含量越高，其熱穩(wěn)定性就越差，開始與電解液反應(yīng)的溫度就越低。有個定量的比較，分子式中各個原子的比例系數(shù)，當(dāng)鋰的系數(shù)是0.25時，其反應(yīng)溫度為230℃；如果這個數(shù)值變成1，其起始反應(yīng)溫度就變成了170℃。此外，如果正極材料中含有除了鋰以外的其他金屬元素，則含錳元素的正極材料比含鎳元素的正極材料熱穩(wěn)定性好。

電解液熱穩(wěn)定性影響因素

電解液可以說是熱穩(wěn)定性問題的核心，它的穩(wěn)定性直接影響整個體系的穩(wěn)定性。有人針對電解液的熱穩(wěn)定性做了一些列研究，結(jié)果表明：

電解液中的碳酸二甲酯含量越高，其熱穩(wěn)定性越差，越容易與正負極材料發(fā)生反應(yīng)；電解液與越多類型材料相容性差，也就是在較低的溫度下可以與多種不同的鹽類發(fā)生反應(yīng)，說明它越活潑，其熱穩(wěn)定性就越差。

老化帶來的熱失控

老化是一個綜合的過程，負極SEI膜結(jié)構(gòu)老化，出現(xiàn)破損，引發(fā)自生熱過程；負極鋰枝晶堆積，造成內(nèi)短路或者遇到高溫環(huán)境與電解液激烈反應(yīng)。老化帶來的內(nèi)阻上升，使得熱積累出現(xiàn)的概率上升?？偟膩碚f，老化與熱失控風(fēng)險存在正相關(guān)性。

1.2各種濫用下的熱失控因素

鋰電池的濫用，一般指由于意外事故或者管理系統(tǒng)故障造成對電池不恰當(dāng)?shù)氖褂?。常見的類型包括：過度充電，高溫環(huán)境，外部短路和外部作用造成的內(nèi)短路。

過充電，有研究者認為，在過充條件下的熱失控發(fā)生溫度，取決于正極材料失去過多的鋰離子以后，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；但也有研究指出，過多的鋰單質(zhì)無法嵌入負極而沉積在負極表面，鋰枝晶不斷生長，一方面刺破隔膜造成局部短路，另一方面鋰單質(zhì)與電解液發(fā)生反應(yīng)，放出大量的熱?？傊?，過充電是鋰電池火災(zāi)的一個重要源頭。

高溫環(huán)境，比如烈日下的汽車內(nèi)，溫度可以高達130℃至150℃。在這樣的溫度下，鋰電池內(nèi)部可能出現(xiàn)幾個方面的風(fēng)險。首先是負極SEI膜的溶解，這個過程一般被認為是自生熱的開始。另外一個因素是一些質(zhì)量一般的隔膜，在這個溫度開始局部融化收縮，隔膜的破損將是大規(guī)模內(nèi)短路的開始。

外部短路，研究人員把鈷酸鋰單體電芯進行直接短路，電芯溫度快速上升至70℃到80℃之間，電量被耗盡。文獻推斷，如果是大規(guī)模成組電芯的短路，散熱條件沒有單體好，則溫度會進一步升高，甚至出現(xiàn)熱失控。

內(nèi)短路，這個名字用在這里，特指由于擠壓針刺等外部原因造成的電池內(nèi)部短路。由于外力作用的隨機性，可能出現(xiàn)的短路包括以下四種情況：正極集流體鋁箔與負極材料短路，正極材料直接與負極材料短路，正極集流體鋁箔與負極集流體銅箔短路，正極材料與負極集流體銅箔短路。研究結(jié)論，負極材料與正極集流體鋁箔短路情形最為兇險，由于阻值小，短路電流大，散熱不利，這種情形最易發(fā)生起火事故。