鋰離子電池熱失控原因和過程分析
來源：寶鄂實業(yè)
2021-09-10 14:18
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鋰電池組發(fā)熱失控原因
動力電池工作后是必然要發(fā)熱的，常態(tài)下是可控的，但是非常態(tài)下會失控。如果失控，必然會發(fā)生火災。技術上必須要搞清楚，對失控原因分析是必須的。歸納起來，有內(nèi)、外2個方面的基本原因：
(1)外因：過充電觸發(fā)熱失控、外力導致熱失控、過熱觸發(fā)熱失控；
(2)內(nèi)因：電池內(nèi)部短路觸發(fā)熱失控。
參與“熱失控”反應的是鋰電池中的氧化鈷化學物。加熱這種化學物達到一定溫度，它就開始自發(fā)熱，然后發(fā)展成起火和爆炸。在某些情況下，這種有機電解液釋放壓力會導致電池破裂。如果暴露在高溫環(huán)境下，或者是遇到火花，它也有可能會燃燒。
從本質(zhì)上而言，“熱失控”是一個能量正反饋循環(huán)過程：升高的溫度會導致系統(tǒng)變熱，系統(tǒng)變熱升高溫度，這又反過來又讓系統(tǒng)變得更熱。熱失控是很常見的現(xiàn)象，從混凝土養(yǎng)護到恒星爆炸，都有可能會出現(xiàn)熱失控。
熱失控現(xiàn)象及其強度與鋰電池組的大小、配置和電池單元的數(shù)量有關。小型鋰電池組只有幾個鋰電池單元，所以熱失控從有問題的電池單元傳播到其他單元的機會相對較低。而波音787巨大的電池組就是另外一回事了：它們裝在密封的金屬盒里，不能排放余熱，當一個電池單元熱到足以點燃電解質(zhì)時，其余的電池單元就會迅速跟進。
電池充電時，金屬鋰的表面沉積非常容易聚結成枝杈狀鋰枝晶，從而刺穿隔膜，造成正負極直接短路。而且，金屬鋰非?；顫姡芍苯雍碗娊庖悍磻艧?，其熔點又很低，即使表面金屬鋰枝晶沒有刺穿隔膜，只要溫度稍高，金屬鋰就會溶解，從而引發(fā)短路。材料發(fā)生氧化還原熱反應的溫度越高，表明其氧化能力越弱，正極材料的氧化能力越強，發(fā)生反應就越劇烈，也越容易引發(fā)安全事故。
動力電池是能源系統(tǒng)，工作一定會發(fā)熱。要保障絕對安全，必須從工程上，有可靠技術來保障它的發(fā)熱是可控的。
電池熱失控都是由于電池的生熱速率遠高于散熱速率，且熱量大量累計而未及時散發(fā)出去所引起的。從本質(zhì)上而言，“熱失控”是一個能量正反饋循環(huán)過程：升高的溫度會導致系統(tǒng)變熱，系統(tǒng)變熱后溫度升高，有反過來讓系統(tǒng)變得更熱，不嚴格的劃分，電池熱失控可分為三個階段：
1、電池內(nèi)部熱失控階段
由于內(nèi)部短路、外部加熱，或者電池自身在大電流充放電時自身發(fā)熱，使電池內(nèi)部溫度升高到90℃～100℃左右，鋰鹽LiPF6開始分解；對于充電狀態(tài)的碳負極化學活性非常高，接近金屬鋰，在高溫下表面的SEI膜分解，嵌入石墨的鋰離子與電解液、黏結劑會發(fā)生反應，進一步把電池溫度推高到150℃，此溫度下又有新的劇烈放熱反應發(fā)生。
2、電池鼓包階段：鋰電池溫度達到200℃之上時，正極材料分解，釋放出大量熱和氣體，持續(xù)升溫。250-350℃嵌鋰態(tài)負極開始與電解液發(fā)生反應。
3、電池熱失控，爆炸失效階段：在反應發(fā)生過程中，充電態(tài)正極材料開始發(fā)生劇烈分解反應，電解液發(fā)生劇烈的氧化反應，釋放出大量的熱，產(chǎn)生高溫和大量氣體，鋰電池發(fā)生燃燒爆炸。
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