現(xiàn)代生活中的各個角落都能找到鋰離子電池的身影，手機、筆記本電腦、電動汽車、儲能裝置等都離不開它。自誕生之日起，鋰離子電池的安全問題一直備受關(guān)注。經(jīng)過多年的發(fā)展，電池及系統(tǒng)端都包含安全保護(hù)元素，但在實際生產(chǎn)和使用中鋰離子電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象仍時有發(fā)生。關(guān)于電池?zé)崾Э?，目前關(guān)注的焦點多集中在能量釋放量、能量釋放速率和如何防止熱擴散，關(guān)于熱失控出現(xiàn)的煙氣，尤其是煙氣對人的危害研究相對較少。

本次系列之所關(guān)注電池?zé)崾Э爻霈F(xiàn)的煙氣，原因重要有兩點：（1）電動汽車發(fā)展日益迅猛且著火事故不時發(fā)生。電動汽車包含大量的電池，一旦發(fā)生熱失控釋放的煙氣量不會低。乘客和行人（尤其是老人、兒童、孕婦等體質(zhì)相對較弱的群體）暴露于電池?zé)崾Э爻霈F(xiàn)的煙氣環(huán)境所帶來的健康危害值得關(guān)注。（2）國內(nèi)大多數(shù)電池公司安全測試房通風(fēng)設(shè)施不夠完善、環(huán)境較為惡劣，電池測試過程中熱失控現(xiàn)象很常見，公司和一線操作員安全防護(hù)意識薄弱，有可能因為職業(yè)原因長期吸入電池?zé)崾Э爻霈F(xiàn)的煙氣。國內(nèi)電池公司一線員工多是年輕人，筆者在公司工作多年，目睹眾多年輕人毫無防護(hù)進(jìn)行電池安全測試的情景，心中五味雜陳。由于公司數(shù)據(jù)保密，本文重要結(jié)合已報道文獻(xiàn)的結(jié)果簡單介紹下鋰離子電池?zé)崾Э厮尫诺臒煔狻?/p>

一.熱失控氣體釋放量

熱失控出現(xiàn)的氣體量是非常關(guān)鍵的參數(shù)，既關(guān)系到電池包的泄壓設(shè)計，也關(guān)系到煙氣有毒物質(zhì)總量及濃度等信息。同時，熱失控氣體釋放量可能同電池容量、化學(xué)體系（如正負(fù)極選材、電解液類型、電解液注液量、粘結(jié)劑量等）、荷電狀態(tài)SOC、觸發(fā)方式、測試環(huán)境（濕度和含氧量）等因素相關(guān)，因此研究各因素對電池?zé)崾Э貧怏w釋放量的影響是極具意義的工作。但遺憾的是目前有關(guān)熱失控氣體量的研究相對較少，重要困難在于氣體具有流動性和可壓縮性，較固體和液體相對難以收集，同時熱失控可能出現(xiàn)的高溫高壓環(huán)境對實驗設(shè)備要求較高。

圖1實驗裝置圖

美國Exponent公司的Somandepalli等利用圖1所示的裝置研究了2.1AhLiCoO2電池在不同SOC狀態(tài)下熱失控的氣體釋放量。結(jié)果顯示在50%SOC、100%SOC和150%SOC下電池?zé)崾Э貧怏w釋放量分別為0.8L(0.1L/Wh)、2.5L(0.32L/Wh)和6.0L(0.78L/Wh)，電池?zé)崾Э貧怏w釋放量同SOC之間呈非線性關(guān)系。

圖2電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣量測試裝置示意圖

圖3熱失控氣體釋放量與電池容量關(guān)系

德國戴姆勒公司SaschaKoch等利用特殊設(shè)計的壓力容器（圖2），在正?？諝猸h(huán)境下通過加熱方式觸發(fā)熱失控，對51款不同電池（軟包和硬殼）100%SOC下熱失控氣體釋放量（圖3）、氣體成分和質(zhì)量損失進(jìn)行了統(tǒng)計分析。如圖3所示，無論是軟包電池還是硬殼電池，通過擬合后可以發(fā)現(xiàn)熱失控氣體釋放量同電池容量大致呈線性關(guān)系：

Vvent(L)=1.961Capacity(Ah)

雖然論文中作者并沒有公布電池化學(xué)體系等相關(guān)信息，但上述公式仍然具有很大的借鑒意義，可用于粗略估算電芯單體熱失控的氣體釋放量。以滿電100Ah電芯為例，其熱失控氣體釋放量高達(dá)196.1L，電池包的泄壓設(shè)計要仔細(xì)斟酌了。以上兩項研究結(jié)果也表明電池SOC和不同觸發(fā)方式（如針刺、加熱、過充等）對電池?zé)崾Э貧怏w釋放量的影響有待進(jìn)一步研究。

表1鋰離子電池組分特性及可能出現(xiàn)的危害

圖4(a)100%SOC電池?zé)崾Э厮尫艢怏w各組分濃度；(b)各氣體組分濃度同釋放氣體量之間關(guān)系

如表1所示，鋰離子電池負(fù)極材料、電解液溶劑、隔膜和粘結(jié)劑多為有機物，導(dǎo)致電池?zé)崾Э貥O易生成CO2、CO和烷烴類氣體。圖4所示同樣是德國戴姆勒公司SaschaKoch等對51款不同電池通過加熱觸發(fā)熱失控得到的氣體分析結(jié)果。可以看出，電池?zé)崾Э爻霈F(xiàn)的氣體重要為CO2、CO、H2和C2H4等多種烷烴，其中CO2、CO和H2三種氣體占據(jù)總氣體組分的絕大多數(shù)（圖4a）。更為重要的是，各氣體組分濃度同釋放的氣體總量無關(guān)（圖4b）。在以上氣體中，CO由于極易與人體血紅蛋白結(jié)合造成缺氧窒息，因此普遍認(rèn)為是有毒氣體。但由于CO在電池?zé)崾Э蒯尫诺臍怏w中濃度高且在日常生活中耳熟能詳，因此本文中將其列為普通氣體。值得注意的是，在電池?zé)崾Э蒯尫诺臍怏w中能檢測到較高濃度的H2，H2爆炸極限為4.0-75.6%（v/v），因此該氣體值得花些時間去關(guān)注下。有關(guān)電池中H2來源，后續(xù)有機會筆者將進(jìn)行介紹。

圖5實驗裝置示意圖：針刺觸發(fā)40AhNCM軟包電池?zé)崾Э?，隨后將氣體收集進(jìn)行成分分析

圖6三種不同場景下各氣體組分濃度：場景1為電池針刺桶蓋上蓋板、電池著火時收集到的氣體；場景2為在場景1基礎(chǔ)上電池表面包上一層特制的透氣纖維以防止電池爆炸；場景3為在場景2基礎(chǔ)上氣體經(jīng)過多層過濾系統(tǒng)

Nedjalkov等利用特殊設(shè)計的裝置（圖5）對40AhNCM軟包電池針刺觸發(fā)熱失控后的氣體成分進(jìn)行了分析（圖6）。圖6顯示電池?zé)崾Э蒯尫诺臍怏w中不僅有CO2和CO等常規(guī)氣體，還有EMC、DEC和EC三種電解液溶劑，同時還存在苯、甲苯、苯乙烯和聯(lián)苯等芳香族物質(zhì)和HF。同時，不同實驗條件、氣體收集方式和檢測方法得到的氣體組分信息存在較大差異。如場景2較場景1各組分濃度均有一定程度增大，而經(jīng)場景3過濾后各組分濃度均有顯著降低甚至無法檢測到。這也提示我們應(yīng)該關(guān)注各因素對氣體組分的影響，尤其是檢測方法的合理性，切不可因為某種方法未檢測到而掉以輕心。以HF為例，由于HF會同石英玻璃管反應(yīng)，因此通常情況下GC-MS通常是無法檢測出HF的，因此選擇合適的檢測方法至關(guān)重要。

同熱失控氣體釋放量相同，可以想見熱失控氣體組分也受電池化學(xué)體系、SOC、環(huán)境（濕度和含氧量）等因素影響，但遺憾的是目前相關(guān)研究并不多，有待進(jìn)一步深入研究。

二.熱失控氣體成分-HF等劇毒氣體

表2物質(zhì)毒性分級標(biāo)準(zhǔn)

表3不同組分混合240℃加熱30-60min出現(xiàn)的含氟有機物濃度

表4不同體系18650電池不同SOC下熱失控出現(xiàn)的毒性有機物

世界衛(wèi)生組織和我國以小鼠為實驗對象，對物質(zhì)經(jīng)吸入、皮膚接觸和口服三種形式攝入后的毒性進(jìn)行了分類，結(jié)果如表2所示。目前有關(guān)鋰離子電池可能出現(xiàn)的有毒有害物質(zhì)的研究只有零星的報道。早在2003年，Hammami等的研究結(jié)果就顯示LiCoO2等正極材料同EC+LiPF6或EC+LiBF4在240℃加熱環(huán)境下會出現(xiàn)2-氟乙醇等劇毒含氟有機物（表3）。在小鼠毒性試驗中，讓人聞之色變的劇毒物KCN的LD50為5-10mg/kg，而2-氟乙醇的LD50則低至0.1mg/kg，其毒性之猛烈可見一斑。國內(nèi)我國人民解放軍陸軍防化學(xué)院孫杰老師等對四種不同化學(xué)體系（LCO、LMO、NCM和LFP）的18650電池在不同SOC狀態(tài)下熱失控出現(xiàn)的有機物進(jìn)行了分析，在揮發(fā)性氣體（VOC）中檢測到包括丙烯醛（2-Propenal，C3H4O）在內(nèi)的多種毒性有機物。

圖7老化后的LiCoO2電池在加熱條件下釋放的氣體組分

在以上劇毒性氣體中，HF是絕大多數(shù)人耳熟能詳?shù)?，值得重點講一下。HF的的危險性重要有兩方面：（1）作為一種酸，H+在酸性環(huán)境下會腐蝕皮膚（圖7）；（2）而F-進(jìn)入人體后會同體內(nèi)的Ca2+、Mg2+等離子結(jié)合形成不溶物，進(jìn)而嚴(yán)重破壞生理平衡。鑒于鋰離子電池中廣泛使用LiPF6和PVDF等含氟類物質(zhì)，鋰離子電池?zé)崾Э蒯尫诺臍怏w中是否存在HF一直是眾多人較為關(guān)注的話題。前面介紹過，GC-MS一般無法檢測出HF的存在，這也是在有些結(jié)果中我們沒發(fā)現(xiàn)HF的原因，如參考文獻(xiàn)戴姆勒公司的結(jié)果中就沒有HF。Nedjalkov等利用圖5所示特殊設(shè)計的裝置和離子色譜（ionchromatography）在40Ah軟包電池?zé)崾Э?/p>

氣體中檢測到HF，未過濾氣體中HF濃度高達(dá)1000ppm，過濾后HF濃度為2ppm左右（圖6）。Larsson等通過加熱觸發(fā)不同老化程度的LiCoO2電池發(fā)生熱失控，并利用TG-FTIR對釋放的氣體組分進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖8所示。氣體組分不僅包含CO、EMC等常規(guī)組分，還檢測到HF的存在。

三.熱失控氣體中顆粒物及氣體可燃性

鋰離子電池?zé)崾Э蒯尫诺臒煔庵谐撕蠧O2、CO等氣體，還有大量的顆粒物，但令人遺憾的是有關(guān)顆粒物的研究鮮有報道。顆粒物組分、質(zhì)量、形貌、表面吸附物、毒性等均值得深入研究。電池?zé)崾Э蒯尫诺臍怏w不僅有CO2，還存在大量的CO、電解液溶劑和烴類等氣體，這些釋放的氣體的可燃性及可能帶來的危害目前還一無所知。

感想

（1）目前對電池?zé)崾Э蒯尫艢怏w量及氣體組分信息了解并不清楚，還有大量工作要去開展；

（2）在對電池?zé)崾Э蒯尫艧煔饬私獠欢嗟漠?dāng)下，電池廠一線年輕操作員工應(yīng)加強防護(hù)意識，按照公司要求戴好口罩、防毒面具等護(hù)具，切不可因年輕身體好而掉以輕心。