了解风险：锂离子电池的热失控和安全机制

研究背景

锂离子电池的出现改变了现代技术的游戏规则，为电子产品、电动汽车和许多其他应用提供高效的储能解决方案。然而，这项技术的兴起也带来了一些安全问题，这些问题通过一系列事件变得越来越明显。

2016年三星Note 7智能手机火灾和2017年上海特斯拉汽车火灾等著名事件凸显了锂离子电池的潜在危险。这些事故的特点是冒烟、自燃，甚至爆炸。此类安全事件在行业内和消费者中敲响了警钟，凸显了迫切需要更深入地了解与这些电池相关的风险。

“中国制造2025”愿景与安全

作为“中国制造2025”战略的一部分，重点领域有明确的技术路线图，其中包括新能源汽车动力电池的发展。 2020年、2025年、2030年设定的目标重点是提高单体电池比能量、延长使用寿命、降低成本。这些雄心勃勃的目标与改进安全措施的必要性密切相关，因为更高的能量密度可能会增加热失控和其他危险事件的风险。

锂离子电池的科学与风险

锂离子电池通过锂离子在阴极和阳极之间的移动来发挥作用。虽然此过程通常是安全的，但在某些条件下可能会变得危险。例如，如果电池过度充电，可能会导致过热甚至热失控——电池产生热量的速度快于消散速度，可能导致火灾或爆炸。

导致热失控的因素

工信部2016年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》提出了纯电动汽车动力电池单体的具体能源目标，这在满足这些高能量密度要求的同时，也提出了确保安全性的挑战。

热失控可由多种因素触发，包括：

工艺因素：包括极子未对准、极片上的毛刺以及电解液分布不均匀，这些都可能导致短路。

材料因素：材料中的杂质和放热副反应会导致电池温度升高。

应用过程：振动、跌落、碰撞、过充和大电流充电都会给电池系统带来潜在风险。

热失控的剖析

热失控是涉及多种放热反应的灾难性事件。当电池温度超过临界水平时，会导致固体电解质界面（SEI）膜分解，催化一系列反应，产生大量热量。这包括电解质的还原和分解、带电正极的热分解以及粘合剂和高反应性负极之间的反应。

锂离子电池的安全机制

为了降低风险，锂离子电池的设计中纳入了多种安全机制：

关闭分离器：一种安全功能，可在温度达到特定阈值时关闭离子流，防止进一步的化学反应。

电路保护：电池组通常包括控制 IC、MOSFET 和其他器件，以确保在安全电压范围内运行。

阻燃添加剂：可以将某些化合物添加到电解质中以降低可燃性。

电池管理系统 (BMS)：这些系统监控电池的状态，并可以采取措施防止过度充电或过热等危险情况。

安全测试和标准

安全测试是电池开发的关键部分，确保电池能够承受一系列压力条件而不会出现故障。测试包括过压充电、外部短路、过流充电、高温暴露以及冲击、振动和冲击等机械应力测试。

电池安全问题展望

尽管存在风险，锂离子电池技术的持续发展势在必行。安全问题仍然是动力电池发展和能量密度提升的重大瓶颈。该行业继续开发和增强安全技术以防止短路、过度充电、热失控和不燃烧事故至关重要。对新型锂离子系统（包括水系锂离子电池和全固态电池）的研究正在取得进展，可能会为当前技术提供更安全的替代方案。

结论

了解与锂离子电池相关的风险对于持续安全使用这些强大的储能设备至关重要。当我们突破电池技术的界限以满足对更高能量密度和更长寿命不断增长的需求时，我们还必须创新和实施强大的安全机制，以保护用户和财产免受热失控和其他相关危害的潜在危险。只有平衡好这两方面，才能确保锂离子电池在新能源领域的未来。