从原理上说锂电池起火的原因主要有哪些？如何解决锂电池热失控呢？
来源：宝鄂实业
2019-04-15 17:03
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锂离子电池起火的原因分析
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。
解决热失控的方式
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。
1、正极材料
杂质含量:杂质含量包含金属和非金属,杂质越多,自放电的可能性会越大,如果颗粒过大,随着电池的使用,此颗粒有可能会越来越大,最终导致电池的短路,因而不管是正极材料厂家还是电池厂,都会采取一定的措施去控制原材料的杂质含量,例如烧结设备的选择,从金属更换为非金属,制作完成时也会有除杂的过程;在电池厂时也会有相关的检测手段和设备,使用时也得严格控制环境的粉尘等级等等,都是有效的防止杂质含量提高的手段;
磁性物质含量:主要是金属杂质中具有磁性的物质,这些物质如果含量过高,在使用过程中会形成一个个的活性位点,不断的沉积最终导致电池的内部短路,因而需要严格的把控,目前材料厂都会对自己所生产的原材料进行除磁,最终的检验标准也很严格,一般是ppb级别,检测方法一般是ICP法,在此就不在详述,有兴趣的小伙伴们可以查阅相关的资料;
热稳定性:随着三元材料中镍含量的升高,正极材料的热稳定性会随之降低,这个一般用DSC或ARC去测量,温度过高导致正极材料的分解、释氧,引发热失控,所以对于这个指标,实际上是有两层意义,一方面,可以通过包覆、掺杂的方法提高正极材料的热稳定性;另一方面,可以通过控制电池的温度使用范围,去让电池达到一个合理的使用区间;
2、负极材料
和正极材料一样,也是有杂质含量、磁性物质含量以及热稳定性的要求,具体的影响机理和正极是类似的,在此不再详述。
3、隔膜
隔膜作为主要的关键原材料,其很多指标都和安全直接相关;
穿刺强度:穿刺强度的大小直接影响着电池发生内部短路的可能性,理想状态当然是越大越好,但对于干法、湿法以及有涂层的隔膜来说是有区别的,随着技术水平的提高,隔膜的厚度是越来越薄,涂覆的东西也是越来越多,主流还是陶瓷,也有各自胶、甚至有导电剂等等,这些都能在一定程度上提高隔膜的穿刺强度。
抗拉强度:对于卷绕型电芯而言,随着电池循环的不断进行,边角处的应力会随着正负极的不断膨胀而增大,所以对于隔膜的抗拉强度要求也是逐渐提高的,要求电池在整个使用周期内是安全的,实际上对于隔膜的要求也是很高的。
热收缩性:这个指标也很关键,对于动力电池的使用,不仅仅是在常温的情况下使用,其外部环境的变化,内部产热的变化,都会对隔膜横向和纵向的收缩带来影响,现在普遍的标准为105℃30min,一些企业的内部标准会比这个更高,这就要求隔膜企业对于隔膜的材质、生产工艺、涂覆材料的种类等等进行深入的研究,生产出更适应高能量密度电池的隔膜。
闭孔温度:这个指标主要衡量的是隔膜在极端情况下的安全性能,也是一个很关键的指标,不同的材质是有不同的闭孔温度,干法和湿法也是有区别的。
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。
