鋰電池組發熱失控原因和熱失控過程

來源：存能電氣  日期：2019-07-30 10:17  瀏覽量：次

　　鋰電池組發熱失控原因和熱失控過程。熱失控是鋰離子電池最為嚴重的安全問題之一，熱失控會導致鋰離子電池發生起火、爆炸，嚴重威脅使用者的生命和財產安全。電池的安全性和鋰電池組的設計、濫用條件有很大關系。下面就介紹一下鋰電池組發熱失控原因和熱失控過程。

　　鋰電池組發熱失控原因

　　動力電池工作后是必然要發熱的，常態下是可控的，但是非常態下會失控。如果失控，必然會發生火災。技術上必須要搞清楚，對失控原因分析是必須的。歸納起來，有內、外2個方面的基本原因：

　　(1)外因：過充電觸發熱失控、外力導致熱失控、過熱觸發熱失控；

　　(2)內因：電池內部短路觸發熱失控。

　　參與“熱失控”反應的是鋰電池中的氧化鈷化學物。加熱這種化學物達到一定溫度，它就開始自發熱，然后發展成起火和爆炸。在某些情況下，這種有機電解液釋放壓力會導致電池破裂。如果暴露在高溫環境下，或者是遇到火花，它也有可能會燃燒。

　　從本質上而言，“熱失控”是一個能量正反饋循環過程：升高的溫度會導致系統變熱，系統變熱升高溫度，這又反過來又讓系統變得更熱。熱失控是很常見的現象，從混凝土養護到恒星爆炸，都有可能會出現熱失控。

　　熱失控現象及其強度與鋰電池組的大小、配置和電池單元的數量有關。小型鋰電池組只有幾個鋰電池單元，所以熱失控從有問題的電池單元傳播到其他單元的機會相對較低。而波音787巨大的電池組就是另外一回事了：它們裝在密封的金屬盒里，不能排放余熱，當一個電池單元熱到足以點燃電解質時，其余的電池單元就會迅速跟進。

　　電池充電時，金屬鋰的表面沉積非常容易聚結成枝杈狀鋰枝晶，從而刺穿隔膜，造成正負極直接短路。而且，金屬鋰非?；顫?，可直接和電解液反應放熱，其熔點又很低，即使表面金屬鋰枝晶沒有刺穿隔膜，只要溫度稍高，金屬鋰就會溶解，從而引發短路。材料發生氧化還原熱反應的溫度越高，表明其氧化能力越弱，正極材料的氧化能力越強，發生反應就越劇烈，也越容易引發安全事故。

　　動力電池是能源系統，工作一定會發熱。要保障絕對安全，必須從工程上，有可靠技術來保障它的發熱是可控的。

　　鋰離子電池熱失控過程

　　電池熱失控都是由于電池的生熱速率遠高于散熱速率，且熱量大量累積而未及時散發出去所引起的。從本質上而言，“熱失控”是一個能量正反饋循環過程：升高的溫度會導致系統變熱，系統變熱后溫度升高，又反過來讓系統變得更熱。不嚴格的劃分，電池熱失控可以分為三個階段：

　　第1階段：電池內部熱失控階段

　　由于內部短路、外部加熱，或者電池自身在大電流充放電時自身發熱，使電池內部溫度升高到90℃～100℃左右，鋰鹽LiPF6開始分解；對于充電狀態的碳負極化學活性非常高，接近金屬鋰，在高溫下表面的SEI膜分解，嵌入石墨的鋰離子與電解液、黏結劑會發生反應，進一步把電池溫度推高到150℃，此溫度下又有新的劇烈放熱反應發生，例如電解質大量分解，生成PF5，PF5進一步催化有機溶劑發生分解反應等。

　　第2階段：電池鼓包階段

　　電池溫度達到200℃之上時，正極材料分解，釋放出大量熱和氣體，持續升溫。250-350℃嵌鋰態負極開始與電解液發生反應。

　　第3階段：電池熱失控，爆炸失效階段

　　在反應發生過程中，充電態正極材料開始發生劇烈分解反應，電解液發生劇烈的氧化反應，釋放出大量的熱，產生高溫和大量氣體，電池發生燃燒爆炸。

　　電池熱失控的預測

　　美國德克薩斯大學阿靈頓分校的KrishnaShah對鋰離子電池熱失控現象進行了分析，并建立了一套鋰電池組熱失控的預測機制，對于鋰電池的安全設計具有重要的參考意義。相關研究顯示，鋰離子電池熱失控過程主要由一下反應組成：SEI膜分解，電解液和粘結劑發生反應，電解液和正極活性物質發生分解。

　　影響鋰離子電池熱失控的因素可以分為兩個，一個是電池內部的產熱速率，另外一個是鋰離子電池的散熱速率。傳統的熱分析工具，一般假設鋰離子電池的產熱在整個體積內是均勻的，因此這些工具分析認為熱失控與電池的熱導率無關，這與鋰離子電池在實際中的情況是不同的，因此預測結果也是不準確的。研究顯示，即使在26650電池內部也存在這很大的熱梯度，因此傳統的方法和工具無法來準確預測電池內部和外部的熱狀態。

　　總之，在熱失控擴展和抑制方面，研發人員要從安全保護設計和電池管理兩個方面著手。無論鋰電池組的大小都需要定期保養以延長其壽命，所有的鋰離子電池組通常都應該每36個月左右就更換一次。而且，每當電量降到20%的時候，你就應該對它進行充電，過度放電會損壞鋰電池，從而增加“熱失控”及其他事故的可能性。