详解锂离子电池起火的原因

作为纯电动汽车的能量来源，锂离子电池起火的主要原因主要是电池过热而造成的热失控，这种过热在电池充放电过程中最容易发生。由于锂离子电池自身具有一定的内阻，在输出电能为纯电动提供动力的同时会产生一定的热量，使得自身温度变高，当自身温度超出其正常工作温度范围间时将会损害整个电池的寿命和安全。纯电动汽车中，动力电池系统是由多个动力电池单体电芯构成，在工作过程中产生大量的热聚集在狭小的电池箱体内，如果热量不能够及时地快速散出，高温会影响动力电池寿命甚至出现热失控，从而引发起火爆炸等事故。从原理上说热失控的原因主要有以下四个方面：

（1） 机械滥用

主要发生在汽车碰撞时，由于外力的作用，锂电池单体、电池组发生变形，自身不同部位发生相对位移，导致电池隔膜被撕裂并发生内部短路; 易燃电解质泄漏最终引发起火。在机械滥用中，穿刺伤害最为严重，它可能会导体插入电池本体，造成正负极直接短路。相比之下，碰撞、挤压等，只是概率性的发生内短路，穿刺过程热量的生成更加剧烈，引发热失控的概率更高。

 

（2）电滥用

电滥用主要是对电池的使用不当造成的，有外部短路、过度充电和过度放电几种类型。其中，过渡放电导致的危害最小，但是由于过放造成的铜枝晶的增长会降低电池的安全性从而增加热失控的几率。外部短路是在两个存在压差的导体在电芯外部接通导致的结果，当外部短路发生时，电池产生的热量无法很好的散去时，电池温度也会随之上升，高温触发热失控。

过度充电是电滥用中危害最高的一种。由于过量的锂嵌入，锂枝晶在阳极表面生长。其次，锂的过度脱嵌导致阴极结构因发热和氧释放而崩溃（NCA阴极的氧释放）。氧气的释放加速了电解质的分解，产生大量气体。由于内部压力的增加，排气阀打开，电池开始排气。电芯中的活性物质与空气接触以后，发生剧烈反应，放出大量的热，从而引发电池包的燃烧起火。

（3）热滥用

热滥用主要指在电池中的局部过热，很少独立存在，往往是通过机械滥用和电气滥用发展而来，并且是最终直接触发热失控等事故的一种情况。热滥用一般多为外部环境高或者在温度控制系统不起作用下导致的电池热量过高从而造成的短路，从而引发热失控。从原因上说，热滥用的原因是最为复杂的，电池包的碰撞、损坏，电池内部的结构、性能或是其他热管理系统、空调系统的失灵都可能导致热滥用的发生。

（4）内部短路

 

内部短路是由电池的正负极直接接触，当然接触的程度不同，引发的后续反应也差别很大，通常由机械和热量滥用引起的大规模内部短路将直接导致热滥用。引发内部短路原因同样复杂，比如锂离子电池过度充电，枝晶积累到一定程度导致刺穿电池隔膜，从而发生内部短路 或是碰撞、穿刺伤害之后直接导致正负极接触而导致热失控。与外部因素产生的内部短路相比，源于电池制造过程中自发的缺陷而引起的内部短路，程度比较轻微，先天内部短路产生的热量很少，并不会立即触发热失控。而且这种内在缺陷会经过一段时间才会演化为程度较轻的内短路。

 

针对锂离子电池热失控的情况，目前国内主流的解决方法主要从外部保护和内部改进两个方面进行改进。外部保护主要是指系统方面的升级改进，内部改进是指针对电池本身进行提高。

（1）冷却方式的提升

热管理系统主要负责控制温度，确保电池一直处在一个合理的运行温度下。通常，热管理系统由整车控制器控制，在电池包温度异常时，通过空调系统进行及时散热或者加热，保证电池安全以及寿命。电池的散热方式根据导热方式和介质的不同而分为四项：空气冷却（风冷）、液体冷却（水冷）、相变材料（固体）、和结合冷却（风冷/水冷 + 固体冷却）几种。

 

（2）内部材料及结构的改进

内部改进即从电芯内部的材料结构上进行改造，从而使电池具备更好的耐热、散热性能。以目前的研究热点来说，发展固态电解液；对正负极进行结构改造；以及引入安全性更高的隔膜材料都是从内部提升电池热性能的主流方法之一。

 

保护措施  

    锂电池芯过充到电压高于4.2V后，会开始产生副作用。过充电压愈高，危险性也跟着愈高。锂电芯电压高于4.2V后，正极材料内剩下的锂原子数量不到一 半，此时储存格常会垮掉，让电池容量产生永久性的下降。如果继续充电，由于负极的储存格已经装满了锂原子，后续的锂金属会堆积于负极材料表面。这些锂原子 会由负极表面往锂离子来的方向长出树枝状结晶。这些锂金属结晶会穿过隔膜纸，使正负极短路。有时在短路发生前电池就先爆炸，这是因为在过充过程，电解液等 材料会裂解产生气体，使得电池外壳或压力阀鼓涨破裂，让氧气进去与堆积在负极表面的锂原子反应，进而爆炸。因此，锂电池充电时，一定要设定电压上限，才可 以同时兼顾到电池的寿命、容量、和安全性。最理想的充电电压上限为4.2V。  锂电芯放电时也要有电压下限。当电芯电压低于2.4V时，部分材料会开始被破坏。又由于电池会自放电，放愈久电压会愈低，因此，放电时最好不要放到 2.4V才停止。锂电池从3.0V放电到2.4V这段期间，所释放的能量只占电池容量的3%左右。因此，3.0V是一个理想的放电截止电压。