鋰離子電池是一種含能元器件，其主要由正極、負(fù)極、電解液和隔膜等組成。充電后其正極一般為過渡金屬氧化物，其具有較強(qiáng)的氧化性；負(fù)極則為內(nèi)部嵌入大量鋰的石墨，有極強(qiáng)的還原性。電解液一般為有機(jī)酯類，具有熔點(diǎn)低、可燃等特點(diǎn)。

 

特別要注意的是，我們生活中的鞭炮也是一種含能器件，許多人知道其內(nèi)含火藥的成分為一硫（磺，化學(xué)式S）二硝（石，化學(xué)式KNO3）三木炭，其中硝石為強(qiáng)氧化劑，硫磺與木炭為還原劑，當(dāng)外界給出一個(gè)超過120度的刺激后，鞭炮內(nèi)氧化還原反應(yīng)劇烈發(fā)生，釋放大量氣體與熱量，火藥燃燒、鞭炮爆炸。

 

由此可見，理論上鋰離子電池本征便可能發(fā)生高放熱的氧化還原反應(yīng)，且其內(nèi)含的可燃電解液也會(huì)助推此反應(yīng)，帶來燃燒甚至爆炸的后果。鋰離子電池燃燒或爆炸的威力有多大呢？光從其儲(chǔ)存電能的角度來說，150Wh/kg能量密度的普通鋰離子電池的電能大約是TNT炸藥爆炸產(chǎn)生熱量能量密度的1/10。

 

近年來的研究確鑿地證明，鋰離子電池事故中正負(fù)極在特殊情況下可直接發(fā)生劇烈氧化還原反應(yīng)，甚至鋁和銅集流體也能以還原劑的方式直接參與反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量要顯著高于電池儲(chǔ)電對(duì)應(yīng)的能量。一般來說，在密閉空間中鋰離子電池發(fā)生安全事故，其最高溫度能達(dá)到800℃以上，而一支43.4g重鋰離子電池發(fā)生爆炸時(shí)的爆熱相當(dāng)于5.45gTNT，達(dá)到TNT當(dāng)量的1/8 [2]。

 

 

而鋰離子電池之所以不以劇烈的氧化還原反應(yīng)而是以電化學(xué)反應(yīng)的方式將其內(nèi)部的化學(xué)能可控地、源源不斷地轉(zhuǎn)化為電能，是因?yàn)楦裟⒄?fù)極有效地物理隔離/電子傳導(dǎo)絕緣（以及導(dǎo)離子電解液的存在）。但是，當(dāng)出現(xiàn)各種內(nèi)因或外因?qū)е赂裟な?，進(jìn)而正負(fù)極直接接觸后，這種內(nèi)短路會(huì)帶來電能被瞬間釋放，產(chǎn)生大量熱并帶來高溫，瞬間破壞電池內(nèi)部化學(xué)體系穩(wěn)定，導(dǎo)致負(fù)極/電解液、正極/電解液、負(fù)極/正極之間，甚至集流體也參與的氧化還原反應(yīng)，瞬時(shí)放熱升溫、造成電解液瞬間氣化進(jìn)而夾雜著負(fù)極/正極活性物質(zhì)粉末噴出電池殼體，帶來燃燒甚至爆炸的惡果，這個(gè)過程叫做熱失控（簡稱TR）。

 

根據(jù)近年來電動(dòng)汽車事故場(chǎng)景統(tǒng)計(jì)，大部分事故都是由于“自燃”，包括靜置時(shí)（電池?zé)o充放電）、行駛時(shí)（電池放電）和充電時(shí)。少部分是有外部熱源、碰撞和控制電路失效時(shí)發(fā)生的事故。

 

“自燃”屬于自發(fā)性熱失控，后者統(tǒng)稱為各種濫用條件下（熱濫用、機(jī)械濫用、電濫用）的熱失控。盡管兩類情景下熱失控最終帶來的升溫、燃燒等機(jī)制相似，對(duì)其展開研究的難易程度卻有很大的差別。目前，濫用條件下的熱失控由于激發(fā)條件可控，近年來研究取得很大進(jìn)展，基本能夠定量描述各種濫用條件激發(fā)熱失控的機(jī)制及隨后的危害情況。但自發(fā)式熱失控，由于其誘因復(fù)雜不好預(yù)測(cè)，熱失控后的電池又被完全破壞很難復(fù)原熱失控前的微觀狀況，成為研究難點(diǎn)。