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圖源：封面新聞

8月20日11時(shí)42分許，一輛從安徽來安縣開往林場(chǎng)站的城際公交車在104國(guó)道南京花旗營(yíng)段突然起火,，造成乘客2人死亡,，另有5人局部燙傷。經(jīng)初步調(diào)查,，起火原因?yàn)橐怀丝蛿y帶的鋰電池電瓶自燃,。

圖源：南京江北新區(qū)公眾號(hào)

此次事故，又讓大家擔(dān)心起鋰電池的安全問題,。實(shí)際上,，近年來因鋰電池起火爆炸導(dǎo)致的火災(zāi)事故屢見不鮮，鋰電池為何容易自燃呢,？

鋰電池起火自燃的直接誘因是電池的熱失控,，鋰電池的熱失控是由于電池發(fā)熱和散熱之間的失控問題引起的。發(fā)熱主要由電池組成材料在高溫下的分解和相互反應(yīng)導(dǎo)致的,。過充,、火源、擠壓,、穿刺,、短路都會(huì)造成鋰離子電池?zé)崾Э匦袨榈陌l(fā)生，熱失控的順序?yàn)镾EI膜分解,、電解液分解,、正極釋氧分解。在此過程中,，短時(shí)間內(nèi)電池內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的熱,，內(nèi)部溫度急劇升高，最后燃燒爆炸,，釋放出大量有毒煙霧,。

熱失控的過程主要包括四種主要的副反應(yīng)：（1）固體電解質(zhì)間相（SEI）分解,；（2）負(fù)極活性物質(zhì)與電解液的反應(yīng)；（3）電解液分解,；（4）正極活性物質(zhì)與電解液的反應(yīng),。

（1）固體電解質(zhì)間相（SEI）分解

當(dāng)電池的熱失控開始時(shí),，負(fù)極材料表面的SEI首先分解,。這個(gè)過程伴隨著溫度的輕微升高，被認(rèn)為是熱失控的起始階段,。以碳酸乙烯酯為例,，反應(yīng)過程如下：

（2）負(fù)極活性物質(zhì)與電解液的反應(yīng)

當(dāng)溫度升高到120℃以上時(shí)，負(fù)極的活性材料在SEI完全分解后失去了表面電介質(zhì)層的保護(hù),，并與電解質(zhì)溶劑發(fā)生反應(yīng),。目前，商業(yè)鋰離子電池主要采用有機(jī)溶劑EC,、DEC等作為電解液,。

（3）電解液分解

鋰離子電池電解液一般由LiPF6或其他電解質(zhì)鋰鹽與DMC、DEC,、EC有機(jī)溶劑混合組成。以下是當(dāng)前主流商業(yè)電解質(zhì)(LiPF6+EC+DEC)的分解反應(yīng)方程：

（4）正極活性物質(zhì)與電解液的反應(yīng)

當(dāng)溫度超過180°C時(shí),，電池隔膜已熔化,，正極活性材料發(fā)生熱分解反應(yīng)并與電解液發(fā)生反應(yīng)，釋放大量熱量,。在此階段,，電池溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速上升，并伴隨著燃燒,、爆炸等現(xiàn)象,。

電池?zé)崾Э厥疽鈭D

從SEI的分解到正極和電解液之間的反應(yīng)在一個(gè)很大的溫度范圍內(nèi)是連續(xù)發(fā)生的，直到反應(yīng)物被完全消耗,。

為了解決熱失控引起的電池起火和爆炸問題,，需要對(duì)電池的關(guān)鍵材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。一方面,，通過表面包覆,、元素?fù)诫s、功能性電解質(zhì)添加劑開發(fā)等改性手段,，提高商用電池材料的熱穩(wěn)定性,。另外，還可以通過改進(jìn)包裝材料等輔助材料,，設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)等,，以建立良好的散熱和冷卻系統(tǒng),。

（1）正極改性

研究表明，提高充電截止電壓是提高能量密度的一種實(shí)用方法,。但是,，在充滿電的狀態(tài)下，Ni4+-O鍵不穩(wěn)定,，會(huì)趨向轉(zhuǎn)變成更加穩(wěn)定的Ni2+形式并釋放出氧氣,，與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)引發(fā)電池?zé)崾Э亍４送�,，高電壓�?huì)加速不可逆的過渡金屬（TM）遷移和嚴(yán)重的相變,，從而導(dǎo)致顆粒破裂，暴露的新界面與電解液繼續(xù)反應(yīng),，加速材料的粉化,。采用表面涂層包覆，離子摻雜,，濃度梯度結(jié)構(gòu)以及在電解液中添加添加劑等技術(shù)可有效克服上述問題,。表面包覆已被認(rèn)為是改善NCM材料性能的最有效方法之一，如用 MgO,、Al2O3,、SiO2等物質(zhì)對(duì)正極材料進(jìn)行表面包覆，可以降低脫Li+后正極與電解液的反應(yīng),，同時(shí)減少正極的釋氧,，抑制正極物質(zhì)發(fā)生相變，提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,，降低晶格中陽離子的無序性,，從而降低循環(huán)過程中的副反應(yīng)產(chǎn)熱。

（2）提高隔膜溫度

提高隔膜安全性核心在于提升隔膜收縮,、熔化分解的溫度,，增強(qiáng)高溫條件隔絕能力，隔膜的高溫隔絕能力保證隔膜微孔在高溫環(huán)境封閉,，阻斷鋰離子的流出,。廣泛應(yīng)用的隔膜材料一般采用陶瓷涂層覆蓋或其他有閉孔效應(yīng)的材料。 

（3）電解液加入阻燃劑

多數(shù)熱失控事故都有電解液的參與,，提高電解液安全性預(yù)防熱失控非常關(guān)鍵,。常在電解液中添加阻燃劑、固態(tài)聚合類物質(zhì)或離子液體等防過充添加劑,。氟化碳酸乙烯(FEC) 是最常見的電解液添加劑,，其優(yōu)勢(shì)在于通過改變SEI膜成分來提高負(fù)極可逆脫鋰的庫侖效率。

（4）固態(tài)電解質(zhì)

固態(tài)鋰電池采用固體電解質(zhì)代替了原來的電解液和隔膜,，大大降低了電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn),，在安全性上有根本性的提高,。一方面，鋰枝晶在固態(tài)電解質(zhì)中生長(zhǎng)緩慢且難刺透電解質(zhì),，避免了鋰枝晶生長(zhǎng)造成的短路現(xiàn)象,；另一方面，固態(tài)電解質(zhì)熱穩(wěn)定性強(qiáng),，避免了隔膜熱變形造成的短路問題,。此外，固態(tài)電解質(zhì)不可燃,，一般不會(huì)引發(fā)類似傳統(tǒng)鋰離子電池有機(jī)電解液的劇烈燃燒甚至爆炸,。

（5）熱管理系統(tǒng)

鋰離子電池?zé)崦舾行詮?qiáng)，提高低溫放電效率和高溫安全性是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)工作的核心,。電池組冷卻方式有液冷和風(fēng)冷,，特斯拉生產(chǎn)的電動(dòng)汽車均采用液冷技術(shù)，電動(dòng)公交一般采用風(fēng)冷,。近年研究中,，如氣凝膠、相變材料及混合材料由于其優(yōu)秀的吸熱效能,，被應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng),。

（6）封裝技術(shù)

電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及整車安裝位置優(yōu)化對(duì)于提升安全性至關(guān)重要。

電池封裝示意圖

PACK工藝的核心安全技術(shù)有防爆技術(shù),、差溫結(jié)構(gòu)件密封技術(shù),、摩擦焊接技術(shù)、鋁殼深度拉伸技術(shù),、銅鋁軟連接高分子焊接技術(shù)等。灌封膠也對(duì)安全性起重要作用,。有機(jī)硅灌封膠在導(dǎo)熱,、阻燃、減震,、防爆等方面具有優(yōu)勢(shì),。隨著市場(chǎng)對(duì)鋰電安全穩(wěn)定性要求提高,有機(jī)硅封裝材料有望脫穎而出，其能有效解決單體電池失效所引發(fā)的電池包爆炸隱患提高安全性和穩(wěn)定性,。

參考來源：

1.錢宇清等 鋰離子電池?zé)崾Э貦C(jī)理分析及控制方法研究

2.孫聰?shù)?鋰離子電池?zé)崾Э貦C(jī)理及安全提升策略研究進(jìn)展

3.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院產(chǎn)品安全研究所 鋰電池為什么會(huì)自燃,？帶你了解鋰電池?zé)崾Э丶胺抡婕夹g(shù)研究

4.知識(shí)分子 電動(dòng)自行車火災(zāi)事故頻發(fā)，為什么我們用不好鋰電池,？

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/喬木）

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