锂离子电池出现热失控的原因主要有哪些？
来源：宝鄂实业
2019-08-14 11:36
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对于锂离子电池，热失控是最严重的安全事故，它会引起锂离子电池起火甚至爆炸，直接威胁用户的安全。锂离子电池发生热失控主要是由于内部产热远高于散热速率，在锂离子电池的内部积攒了大量的热量，从而引起了连锁反应，导致电池起火和爆炸。
发热失控的因素很多，总的来说分为两类，内部因素和外部因素。内部因素主要是：电池生产缺陷导致内短路;电池使用不当，导致内部产生锂枝晶引发正负极短路。外部因素主要是：挤压和针刺等外部因素导致锂离子电池发生短路;电池外部短路造成电池内部热量累积过快;外部温度过高导致SEI膜和正极材料等发生分解。
1热失控原因分析
锂离子电池的热失控主要是因电池内部温度上升而起。目前商业锂离子电池中应用最广的电解液体系是LiPF6的混合碳酸酯溶液，此类溶剂挥发性高、闪点低、非常容易燃烧。当冲撞或者变形引起的内部短路，大倍率充放电和过充，就会产生大量的热，导致电池温度上升。当达到一定温度时，就会导致一系列分解反应，使电池的热平衡受到破坏。当这些化学反应放出的热量不能及时疏散，便会加剧反应的进行，并引发一连串的自加热副反应。电池温度急剧升高，也就是“热失控”，最终导致电池的燃烧，严重时甚至发生爆炸。
总的来说，锂离子电池热失控原因主要集中在电解液的热不稳定性，以及电解液与正、负极共存体系的热不稳定性两个大的方面。
目前从大的方面来看，安全型锂离子电池主要从外部管理和内部设计两个方面来采取措施，控制内部温度、电压、气压来达到安全目的。
2解决热失控的策略
2.1外部管理
1）PTC（正温度系数）元件：在锂离子电池中安装PTC元件，其综合考虑了电池内部的压力和温度，当电池因过充而升温时，电池内阻迅速提高从而限制电流，使正负极之间的电压降为安全电压，实现对电池的自动保护功能。
2）防爆阀：当电池由于异常导致内压过大时，防爆阀变形，将置于电池内部用于连接的引线切断，停止充电。
3）电子线路：2~4节的电池组可以预埋电子线路设计锂离子保护器，避免过充及过放电，从而避免安全事故发生，延长电池寿命。
当然这些外部控制方法都有一定效果，但这些附加装置增加了电池的复杂性和生产成本，也不能彻底解决电池安全性问题。因此，有必要建立一种内在的安全保护机制。
2.2改进电解液体系
电解液作为锂离子电池的血液，电解液的性质直接决定了电池的性能，对电池的容量、工作温度范围、循环性能及安全性能都有重要的作用。目前商用锂离子电池电解液体系，其应用最广泛的组成是LiPF6、碳酸乙烯酯和线性碳酸酯。前面两个是不可或缺的成分，它们的使用也产生了电池性能方面某些局限，同时电解液中使用了大量低沸点、低闪点的碳酸酯类溶剂，在较低的温度下即会闪燃，存在很大的安全隐患。因此，许多研究者尝试改进电解液体系以提高电解液的安全性能。在电池的主体材料（包括电极材料、隔膜材料和电解质材料）在短时间内不发生颠覆性改变的情况下，提高电解液的稳定性是增强锂离子电池安全性的一条重要途径。
2.2.1功能添加剂功能添加剂具有用量少、针对性强的特点。即在不增加或基本不增加电池成本、不改变生产工艺的情况下能显著改善电池的某些宏观性能。因此，功能添加剂成为当今锂离子电池领域一个研究热点，是解决目前锂离子电池电解液易燃问题最有希望的途径之一。添加剂的基本作用就是阻止电池温度过高和将电池电压限定在可控范围内。因此，添加剂的设计也是从温度和充电电位发挥作用的角度进行考虑的。
阻燃添加剂：阻燃添加剂又可以根据阻燃元素的不同分为有机磷系阻燃添加剂、含氮化合物阻燃添加剂、卤代碳酸酯类阻燃添加剂、硅系阻燃添加剂以及复合阻燃添加剂５个主要类别。
有机磷化物阻燃剂：主要包括一些烷基磷酸酯、烷基亚磷酸酯、氟化磷酸酯以及磷腈类化合物。阻燃机理主要是阻燃分子干扰氢氧自由基的链式反应也称为自由基捕获机制。添加剂气化分解释放出含磷自由基，该自由基具有捕获体系中氢自由基终止链式反应的能力。
2、未经授权改装外壳。
3、环境温度超过60°C。
4、隔离锂离子电池负极和正极的隔膜出现的撕裂会导致短路，而短路往往又会引起热崩溃。
参与“热失控”反应的是锂电池中的氧化钴化学物。加热这种化学物达到一定温度，它就开始自发热，然后发展成起火和爆炸。在某些情况下，这种有机电解液释放压力会导致电池破裂。如果暴露在高温环境下，或者是遇到火花，它也有可能会燃烧。
热失控发生的概率与锂电池基数有关，中日韩三国锂电池产量都是逐年增长的，特别是在应用较广的手机/笔记本电脑领域，电池事故发生好象更多一些。2006年到2011年间多家大型电子企业都发生过相关事件，自进入2012年之后，小型电子产品中发生较少，但是在大型应用，比如飞机上的事故却常见报道，这说明了以下现象。
热失控现象及其强度与锂电池的大小、配置和电池单元的数量有关。小型锂电池组只有几个锂电池单元，所以热失控从有问题的电池单元传播到其他单元的机会相对较低。而波音787巨大的电池组就是另外一回事了：它们装在密封的金属盒里，不能排放余热，当一个电池单元热到足以点燃电解质时，其余的电池单元就会迅速跟进。
电池充电时，金属锂的表面沉积非常容易聚结成枝杈状锂枝晶，从而刺穿隔膜，造成正负极直接短路。而且，金属锂非常活泼，可直接和电解液反应放热，其熔点又很低，即使表面金属锂枝晶没有刺穿隔膜，只要温度稍高，金属锂就会溶解，从而引发短路。材料发生氧化还原热反应的温度越高，表明其氧化能力越弱，正极材料的氧化能力越强，发生反应就越剧烈，也越容易引发安全事故。
无论大小锂电池组都需要定期保养以延长其寿命，所有的锂离子电池组通常都应该每36个月左右就更换一次。而且，每当电量降到20％的时候，你就应该对它进行充电，过度放电会损坏锂电池，从而增加“热失控”及其他事故的可能性。
