锂离子电池热失控释放烟气的危害有哪些？

热失控产生的气体量是非常关键的参数，既关系到电池包的泄压设计，也关系到烟气有毒物质总量及浓度等信息。同时，热失控气体释放量可能同电池容量、化学体系（如正负极选材、电解液类型、电解液注液量、粘结剂量等）、荷电状态SOC、触发方式、测试环境（湿度和含氧量）等因素相关，因此研究各因素对电池热失控气体释放量的影响是极具意义的工作。但遗憾的是目前关于热失控气体量的研究相对较少，主要困难在于气体具有流动性和可压缩性，较固体和液体相对难以收集，同时热失控可能产生的高温高压环境对实验设备要求较高。

 

美国Exponent公司的Somandepalli等[1]利用所示的装置研究了2.1 Ah LiCoO2电池在不同SOC状态下热失控的气体释放量。结果显示在50% SOC、100% SOC和150% SOC下电池热失控气体释放量分别为0.8 L (0.1 L/Wh)、2.5 L (0.32 L/Wh)和6.0 L (0.78 L/Wh)，电池热失控气体释放量同SOC之间呈非线性关系。

 

德国戴姆勒公司Sascha Koch等[2]利用特殊设计的压力容器，在正常空气环境下通过加热方式触发热失控，对51款不同电池（软包和硬壳）100% SOC下热失控气体释放量气体成分和质量损失进行了统计分析。

虽然论文中作者并没有公布电池化学体系等相关信息，但上述公式仍然具有很大的借鉴意义，可用于粗略估算电芯单体热失控的气体释放量。以满电100 Ah电芯为例，其热失控气体释放量高达196.1 L，电池包的泄压设计需要仔细斟酌了。以上两项研究结果也表明电池SOC和不同触发方式（如针刺、加热、过充等）对电池热失控气体释放量的影响有待进一步研究。

 

100%SOC电池热失控所释放气体各组分浓度；(b)各气体组分浓度同释放气体量之间关系[2]

如表1[3]所示，锂离子电池负极材料、电解液溶剂、隔膜和粘结剂多为有机物，导致电池热失控极易生成CO2、CO和烷烃类气体。所示同样是德国戴姆勒公司Sascha Koch等[2]对51款不同电池通过加热触发热失控得到的气体分析结果。可以看出，电池热失控产生的气体主要为CO2、CO、H2和C2H4等多种烷烃，其中CO2、CO和H2三种气体占据总气体组分的绝大多数（图4a）。更为重要的是，各气体组分浓度同释放的气体总量无关（图4b）。在以上气体中，CO由于极易与人体血红蛋白结合造成缺氧窒息，因此普遍认为是有毒气体。但由于CO在电池热失控释放的气体中浓度高且在日常生活中耳熟能详，因此本文中将其列为普通气体。值得注意的是，在电池热失控释放的气体中能检测到较高浓度的H2，H2爆炸极限为4.0-75.6%（v/v），因此该气体值得花些时间去关注下。关于电池中H2来源，后续有机会小贱将进行介绍。

 

Nedjalkov等[4]利用特殊设计的装置对40 Ah NCM软包电池针刺触发热失控后的气体成分进行了分析。显示电池热失控释放的气体中不仅有CO2和CO等常规气体，还有EMC、DEC和EC三种电解液溶剂，同时还存在苯、甲苯、苯乙烯和联苯等芳香族物质和HF。同时，不同实验条件、气体收集方式和检测方法得到的气体组分信息存在较大差异。如场景2较场景1各组分浓度均有一定程度增大，而经场景3过滤后各组分浓度均有显著降低甚至无法检测到。这也提示我们应该关注各因素对气体组分的影响，尤其是检测方法的合理性，切不可因为某种方法未检测到而掉以轻心。以HF为例，由于HF会同石英玻璃管反应，因此通常情况下GC-MS通常是无法检测出HF的，因此选择合适的检测方法至关重要。