鉅大LARGE | 點擊量：1918次 | 2022年06月11日
鋰電池短路是造成起火爆燃的原因
七月二十一日，杭州市消防救援支隊調(diào)查組通過調(diào)查取證，初步判斷"7·18"電動汽車起火原因和其鋰電池故障有關。
不久前的五月十日，成都一小區(qū)的電梯內(nèi)，電動汽車突然起火，導致多人受傷。
短時間內(nèi)多起電動汽車起火爆燃事故，是什么讓鋰電池變成了我們身邊的"隱形炸彈"？爆燃的鋰電池威力為何如此巨大，瞬間就能燃起熊熊大火，讓人連自救的機會都沒有？
為此，科技日報記者請到天津大學化工學院的張生教授進行解答。
鋰電池熱失控就像多米諾骨牌
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
張生介紹，鋰電池以能量密度高、循環(huán)壽命長、無記憶效應、自放電率低和對環(huán)境無污染等優(yōu)點，得以被快速地推廣使用。
目前，鋰電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰電池。鋰電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且可以充電。而鋰金屬電池由于其自身的高技術要求限制，只有少數(shù)幾個國家的公司在生產(chǎn)。
鋰電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質(zhì)的電池。"但是由于鋰電池的熱不穩(wěn)定性，鋰電池的安全問題也逐漸引起重視。"張生表示，輕則造成漏液，電池體內(nèi)溫度上升，保護層逐漸毀壞，致腐蝕性電解液發(fā)生泄漏。更進一步，造成自燃，鋰電池短路時出現(xiàn)的火花會在瞬間點燃電解液，并引燃塑料機身。
"更嚴重的會引發(fā)起火爆燃。而且之所以會在短時間內(nèi)燃起熊熊大火，是因為鋰電池火災爆燃是一系列的連鎖反應。電池熱失控就像多米諾效應，出現(xiàn)越來越多的熱量，最終引發(fā)起火爆燃。"張生強調(diào)，鋰電池中同時含有加壓的環(huán)境下易燃的電解質(zhì)，提高了鋰電池發(fā)生爆燃事故的可能性。
鋰電池短路是造成起火爆燃重要原因
張生介紹，鋰電池發(fā)生起火爆燃的原因重要包括過充、短路、受熱等。
過充：當使用非原裝充電器，或者充電器運行不正常的情況下，對電池進行充電可能會導致電池的溫度上升。
在鋰電池充電初期，由于電池具有一定的電阻，則電流通過電阻時會出現(xiàn)一定的熱量，此時電池表面會出現(xiàn)緩慢的升溫現(xiàn)象。當電池充滿電后，原本鋰離子在電池內(nèi)一直以離子形式游離在正負極之間，但因為電池充滿電，負極已無法被繼續(xù)填入。
"但由于此時的負極可能具有較高的嵌鋰能力，那么鋰離子會繼續(xù)從正極析出并以單質(zhì)的形式在負極表面沉積，金屬鋰由于具有較高的金屬活性此時會和溶劑反應，導致嵌鋰碳也和溶劑發(fā)生放熱反應。"張生介紹，由于該反應出現(xiàn)的大量熱量，將導致熱失控的發(fā)生，隨之伴生出更多連鎖放熱反應，電壓和溫度的迅速升高，使電池發(fā)生著火和爆炸。
當電池過度充電時，一般電池內(nèi)都會有一個過充電的保護裝置。以手機電池為例，保護裝置的原理是在電池內(nèi)安裝一個電壓檢測的保護電路IC。
"假如保護電路IC沒有失效，那么在一般過充情況下，電池由于充電出現(xiàn)的熱在正常環(huán)境下可以自然散去，過充僅僅會使電解液分解，那么電池依然安全。"張生表示，但是假如電池在非正常充電條件下過充，比如使用了高倍率的充電器進行充電，或者充電時外部環(huán)境溫度較高影響電池的散熱，或者電池本身的設計使得電池的散熱緩慢的條件下，由于過充的升溫和熱量無法散去的雙重條件下，隔膜逐漸被融化。一旦隔膜融化，電池內(nèi)部就會發(fā)生短路，此時電芯會急劇放電，溫度快速升高，引發(fā)電池的材料被點燃，最后發(fā)生爆燃。
電解液在過充的條件下會發(fā)生氣化，此時電池的內(nèi)壓會逐漸新增，因此鋰電池在設計的時候為了防止內(nèi)壓過高發(fā)生鼓脹，會在外殼上安裝泄壓裝置，用于進行內(nèi)壓的調(diào)節(jié)。而當泄壓裝置失效時，由于過充電池將發(fā)生鼓脹甚至導致電池芯損壞，損壞后的電池芯會出現(xiàn)一系列的放熱反應引起爆燃事故。
此外，在實際應用下，由于設計、管理、工藝等多種原因都可能導致保護的IC失效，此時電池會繼續(xù)充電。
短路：在電池出現(xiàn)短路故障的時候會導致電池穩(wěn)定性備受影響，同時會釋放出很多氣體。這樣的情況會讓電池出現(xiàn)熱失控，在較短時間集聚很多熱能，致使出現(xiàn)起火爆燃事故。
"電池短路一般可以分為外部短路和內(nèi)部短路。"張生介紹，正常情況下，電池內(nèi)部由于工作或充電，溫度會越來越高，但是由于電池自身有散熱，且電池中有SEI膜，因此當溫度升高到較高溫度時，SEI膜會把細孔關閉。電池內(nèi)的電化學反應則會終止，電池的溫度也會緩緩下降。但是假如電池受到針刺、撞擊等外部沖擊導致SEI膜被擊穿，電池則會發(fā)生短路。
"一旦電池短路，其正極的熱分解反應及其他放熱反應也會隨之發(fā)生，使得電池溫度快速升高，電解液會被快速汽化，從而因熱失控的發(fā)生而導致起火爆燃。"張生表示，內(nèi)部短路重要是因為鋰離子的樹枝狀結晶穿破隔膜所造成，過充是內(nèi)部短路引發(fā)的爆炸的重要原因。使用陶瓷隔膜和負極熱阻層等保護涂層可以有效防止電池內(nèi)部短路。
外部溫度因素：電池在高溫下，由于熱傳遞，電池內(nèi)電解液溫度升高，電池內(nèi)的SEI膜由于電解液的高溫可能被熔化，SEI膜一旦被熔穿，電池則會發(fā)生如上所說的電池短路現(xiàn)象，從而促使放熱反應的生成導致電池起火爆燃。
內(nèi)在因素：產(chǎn)品內(nèi)在因素包括電池結構的設計、產(chǎn)品質(zhì)量控制等。電池芯由正極、負極、隔膜和電解液等幾部分組成，其材質(zhì)選擇、工藝控制和結構設計，將影響電池的充放電特性。
"更重要的是假如結構設計不合理、材料選擇不當或工藝控制不好，在過充電過程中，則容易出現(xiàn)電解液氣化、電極短路和電池過熱而發(fā)生。"張生說，同時，假如生產(chǎn)過程中發(fā)生電解液注入量不足、焊接密封性差導致漏氣、正負極片殼壁偏厚未達工藝要求、殼壁偏厚或變形、密封性不好導致極片吸水，水分和電解液反應等情況，有可能影響產(chǎn)品的質(zhì)量從而引發(fā)起火爆燃事故。
張生強調(diào)，綜上所述，引發(fā)鋰電池爆炸的原因包含多個方面。其中，短路造成起火爆燃的事故占了鋰電池故障的很大比例，而隔膜的材料無法從本質(zhì)上杜絕短路的發(fā)生，希望將來的研究能夠?qū)ふ业礁踩母裟げ牧?，從而減低鋰電池短路故障的發(fā)生。
來源：科技日報
原標題：《"7.18"杭州電動汽車起火元兇找到，鋰電池緣何成"隱形炸彈"？》
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