從原理上說鋰電池起火的原因主要有哪些？如何解決鋰電池?zé)崾Э啬兀?/h1>
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-15 17:03
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鋰離子電池起火的原因分析
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(yáng)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(guó)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。
解決熱失控的方式
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。
1、正極材料
雜質(zhì)含量:雜質(zhì)含量包含金屬和非金屬,雜質(zhì)越多,自放電的可能性會(huì)越大,如果顆粒過大,隨著電池的使用,此顆粒有可能會(huì)越來越大,最終導(dǎo)致電池的短路,因而不管是正極材料廠家還是電池廠,都會(huì)采取一定的措施去控制原材料的雜質(zhì)含量,例如燒結(jié)設(shè)備的選擇,從金屬更換為非金屬,制作完成時(shí)也會(huì)有除雜的過程;在電池廠時(shí)也會(huì)有相關(guān)的檢測(cè)手段和設(shè)備,使用時(shí)也得嚴(yán)格控制環(huán)境的粉塵等級(jí)等等,都是有效的防止雜質(zhì)含量提高的手段;
磁性物質(zhì)含量:主要是金屬雜質(zhì)中具有磁性的物質(zhì),這些物質(zhì)如果含量過高,在使用過程中會(huì)形成一個(gè)個(gè)的活性位點(diǎn),不斷的沉積最終導(dǎo)致電池的內(nèi)部短路,因而需要嚴(yán)格的把控,目前材料廠都會(huì)對(duì)自己所生產(chǎn)的原材料進(jìn)行除磁,最終的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也很嚴(yán)格,一般是ppb級(jí)別,檢測(cè)方法一般是ICP法,在此就不在詳述,有興趣的小伙伴們可以查閱相關(guān)的資料;
熱穩(wěn)定性:隨著三元材料中鎳含量的升高,正極材料的熱穩(wěn)定性會(huì)隨之降低,這個(gè)一般用DSC或ARC去測(cè)量,溫度過高導(dǎo)致正極材料的分解、釋氧,引發(fā)熱失控,所以對(duì)于這個(gè)指標(biāo),實(shí)際上是有兩層意義,一方面,可以通過包覆、摻雜的方法提高正極材料的熱穩(wěn)定性;另一方面,可以通過控制電池的溫度使用范圍,去讓電池達(dá)到一個(gè)合理的使用區(qū)間;
2、負(fù)極材料
和正極材料一樣,也是有雜質(zhì)含量、磁性物質(zhì)含量以及熱穩(wěn)定性的要求,具體的影響機(jī)理和正極是類似的,在此不再詳述。
3、隔膜
隔膜作為主要的關(guān)鍵原材料,其很多指標(biāo)都和安全直接相關(guān);
穿刺強(qiáng)度:穿刺強(qiáng)度的大小直接影響著電池發(fā)生內(nèi)部短路的可能性,理想狀態(tài)當(dāng)然是越大越好,但對(duì)于干法、濕法以及有涂層的隔膜來說是有區(qū)別的,隨著技術(shù)水平的提高,隔膜的厚度是越來越薄,涂覆的東西也是越來越多,主流還是陶瓷,也有各自膠、甚至有導(dǎo)電劑等等,這些都能在一定程度上提高隔膜的穿刺強(qiáng)度。
抗拉強(qiáng)度:對(duì)于卷繞型電芯而言,隨著電池循環(huán)的不斷進(jìn)行,邊角處的應(yīng)力會(huì)隨著正負(fù)極的不斷膨脹而增大,所以對(duì)于隔膜的抗拉強(qiáng)度要求也是逐漸提高的,要求電池在整個(gè)使用周期內(nèi)是安全的,實(shí)際上對(duì)于隔膜的要求也是很高的。
熱收縮性:這個(gè)指標(biāo)也很關(guān)鍵,對(duì)于動(dòng)力電池的使用,不僅僅是在常溫的情況下使用,其外部環(huán)境的變化,內(nèi)部產(chǎn)熱的變化,都會(huì)對(duì)隔膜橫向和縱向的收縮帶來影響,現(xiàn)在普遍的標(biāo)準(zhǔn)為105℃30min,一些企業(yè)的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)會(huì)比這個(gè)更高,這就要求隔膜企業(yè)對(duì)于隔膜的材質(zhì)、生產(chǎn)工藝、涂覆材料的種類等等進(jìn)行深入的研究,生產(chǎn)出更適應(yīng)高能量密度電池的隔膜。
閉孔溫度:這個(gè)指標(biāo)主要衡量的是隔膜在極端情況下的安全性能,也是一個(gè)很關(guān)鍵的指標(biāo),不同的材質(zhì)是有不同的閉孔溫度,干法和濕法也是有區(qū)別的。
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?/p>
