为什么锂离子电池会燃烧甚至爆炸？
来源：宝鄂实业
2021-09-09 12:16
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锂离子电池是一种含能元器件，其主要由正极、负极、电解液和隔膜等组成。充电后其正极一般为过渡金属氧化物，其具有较强的氧化性；负极则为内部嵌入大量锂的石墨，有极强的还原性。电解液一般为有机酯类，具有熔点低、可燃等特点。
特别要注意的是，我们生活中的鞭炮也是一种含能器件，许多人知道其内含火药的成分为一硫（磺，化学式S）二硝（石，化学式KNO3）三木炭，其中硝石为强氧化剂，硫磺与木炭为还原剂，当外界给出一个超过120度的刺激后，鞭炮内氧化还原反应剧烈发生，释放大量气体与热量，火药燃烧、鞭炮爆炸。
由此可见，理论上锂离子电池本征便可能发生高放热的氧化还原反应，且其内含的可燃电解液也会助推此反应，带来燃烧甚至爆炸的后果。锂离子电池燃烧或爆炸的威力有多大呢？光从其储存电能的角度来说，150Wh/kg能量密度的普通锂离子电池的电能大约是TNT炸药爆炸产生热量能量密度的1/10。
近年来的研究确凿地证明，锂离子电池事故中正负极在特殊情况下可直接发生剧烈氧化还原反应，甚至铝和铜集流体也能以还原剂的方式直接参与反应，产生的热量要显著高于电池储电对应的能量。一般来说，在密闭空间中锂离子电池发生安全事故，其最高温度能达到800℃以上，而一支43.4g重锂离子电池发生爆炸时的爆热相当于5.45gTNT，达到TNT当量的1/8 [2]。
而锂离子电池之所以不以剧烈的氧化还原反应而是以电化学反应的方式将其内部的化学能可控地、源源不断地转化为电能，是因为隔膜将正负极有效地物理隔离/电子传导绝缘（以及导离子电解液的存在）。但是，当出现各种内因或外因导致隔膜失效，进而正负极直接接触后，这种内短路会带来电能被瞬间释放，产生大量热并带来高温，瞬间破坏电池内部化学体系稳定，导致负极/电解液、正极/电解液、负极/正极之间，甚至集流体也参与的氧化还原反应，瞬时放热升温、造成电解液瞬间气化进而夹杂着负极/正极活性物质粉末喷出电池壳体，带来燃烧甚至爆炸的恶果，这个过程叫做热失控（简称TR）。
根据近年来电动汽车事故场景统计，大部分事故都是由于“自燃”，包括静置时（电池无充放电）、行驶时（电池放电）和充电时。少部分是有外部热源、碰撞和控制电路失效时发生的事故。
“自燃”属于自发性热失控，后者统称为各种滥用条件下（热滥用、机械滥用、电滥用）的热失控。尽管两类情景下热失控最终带来的升温、燃烧等机制相似，对其展开研究的难易程度却有很大的差别。目前，滥用条件下的热失控由于激发条件可控，近年来研究取得很大进展，基本能够定量描述各种滥用条件激发热失控的机制及随后的危害情况。但自发式热失控，由于其诱因复杂不好预测，热失控后的电池又被完全破坏很难复原热失控前的微观状况，成为研究难点。
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