电池材料：热失控的原因及发生机制

大家好。本篇文章将介绍近年来因电动汽车和便携式电子设备中锂离子电池的安全问题而受到关注的“热失控”。我们将了解热失控是什么、由哪些原因引起，以及防止热失控的方法。

热失控的定义

热失控指失去控制的电芯自行起火。美国国际安全科学技术机构UL制定的UL9540A标准，介绍了评估此类热失控火灾蔓延的试验方法。

热失控的发生原因

热失控的原因多种多样，包括制造与材料缺陷、设计异常、使用时疏忽以及误用等。
一般来说，滥用条件分为四类：
机械滥用、电气滥用、热滥用和内部短路这四种情况。

与热失控相关的滥用类型

1. 机械滥用：指外力导致电池损伤或变形。
例如，电动汽车行驶时因碰撞事故造成电池包变形，会使电芯内部隔膜受损并产生内部短路，进而导致电解液泄漏和火灾。此外，当整个电芯被金属物体贯穿时，会发生剧烈的内部短路。电芯内部的温升来自内部短路产生的热量。

2. 电气滥用：包括外部短路、过充和过放。
外部短路可由冲击造成的电池包变形或损伤、浸水、外部导电物质污染、电冲击等引起，电芯过热大多由电阻发热导致。



过充是以过高的电压充电，是电气滥用的一种形式。若电池管理系统(BMS)误动作或系统故障，使电芯充电时超过充电电压上限，电阻发热及化学副反应就会导致电芯内部温度急剧上升。

过放指强制放电。过放时，正极材料形态发生变化，使部分锂离子无法嵌入和脱出，电池容量便会迅速下降。

过充和过放的一种结果，是充电宝等电池发生鼓胀，即电芯膨胀。锂离子过度脱出会加速称为SEI的膜的分解，从而生成CO或CO2气体，正是这些气体造成电芯膨胀。
在这种状态下再次充电，负极表面会形成新的SEI杂质。这样生成的SEI会大幅降低电化学性能及安全性。

3. 热滥用：包括局部过热和外部火灾事故。
局部过热主要因电池连接器松动而发生。电芯内部电极材料与集流体之间的结合减弱，松动的电极材料—集流体界面在持续充放电时发热，可能导致热失控。外部火灾事故中，电池在外部燃烧和高温环境下暴露超过一定时间后，电解液可能燃烧并引发热失控。


4. 内部短路：内部短路与电池的机械滥用、电气滥用及热滥用直接相关，是引发热失控的决定性因素。

但需要注意，并非所有内部短路都必然导致热失控。

内部短路可以分为以下三个等级。

1. 等级I：这一阶段电芯电压下降非常缓慢，自放电程度很低，温度几乎没有变化。这是初期阶段，对电池安全性没有很大影响。
2. 等级II：这一阶段电压下降非常快，并出现明显的温升。温升说明正在产生热量。这一阶段会影响电池安全性，需要进行管理。
3. 等级III：这是最严重的阶段，电池电压降至0，产生大量热量，并立即导致热失控。此时电池安全性受到极大威胁，需要立即采取应对措施。

使用电池时，了解这些内部短路阶段并针对每一阶段采取适当措施十分重要。尤其需要尽可能减少电气、机械和热滥用，避免进入等级III。

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今天我们了解了热失控的定义、发生原因，以及与热失控相关的滥用类型。