不久前的一個(gè)凌晨，上海楊浦區(qū)鐵嶺路一居民樓發(fā)生一起火災(zāi)，致4人不同程度燒傷。經(jīng)調(diào)查，起火原因系該樓居民孫某某違反規(guī)定，將電動(dòng)自行車停放在1樓樓道內(nèi)，電動(dòng)自行車鋰離子蓄電池?zé)崾Э匾l(fā)。

什么是鋰電池?zé)崾Э兀?/strong>

鋰離子電池?zé)崾Э厥侵付喾N因素引發(fā)的連鎖反應(yīng)，產(chǎn)生熱量，使鋰離子電池?zé)崾Э販囟壬叩角z氏度以上，使鋰電池劇烈點(diǎn)燃，在電池內(nèi)部放出大量熱量和有害氣體。因此，當(dāng)鋰離子電池發(fā)生熱失控時(shí)，整個(gè)電池組釋放的能量是驚人的。一個(gè)由100個(gè)電池組成、充電容量為100Ah的電池組，其失控能量為240,000,000J，相當(dāng)于57公斤TNT。盡管科學(xué)家和工程師不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)、增強(qiáng)算法，進(jìn)而有效提高汽車鋰離子電池組的安全性，但在現(xiàn)實(shí)生活中我們還是會(huì)時(shí)不時(shí)聽到一些電動(dòng)汽車、手機(jī)起火的情況。

造成電池?zé)崾Э氐脑蚴鞘裁矗?/strong>

過度充電：電池本身有過充保護(hù)，但如果這個(gè)過充保護(hù)失靈，電池繼續(xù)充電，就會(huì)導(dǎo)致過充，引發(fā)熱失控。隨著電池使用時(shí)間的推移，老化變得更加嚴(yán)重，電池組的一致性變差。此時(shí)，如果電池過度充電，則極易出現(xiàn)熱安全問題。因此，有必要始終請(qǐng)遵循安全充電說明。

過熱：當(dāng)電池進(jìn)行高速放電或遇到極端條件時(shí)，電池內(nèi)部溫度逐漸升高。當(dāng)電池內(nèi)積聚大量熱量時(shí)，如果不及時(shí)限制放電電流，可能會(huì)導(dǎo)致鋰電池?zé)崾Э亍?/p>

機(jī)械：沖擊、內(nèi)部短路和其他損壞電池組的行為可能會(huì)導(dǎo)致熱失控。

鋰電池?zé)崾Э匕l(fā)生過程

熱失控分為三個(gè)階段：自加熱階段（50℃-140℃）、失控階段（140℃-850℃）和終止階段（850℃-室溫）。一些文獻(xiàn)表明，隔膜的大量熔化溫度在 140°C 左右開始。

自加熱階段，也稱為熱量積累階段，從SEI膜的溶解開始。當(dāng)溫度達(dá)到 90°C 左右時(shí)，SEI 膜的溶解變得明顯。 SEI膜的溶解使負(fù)極和負(fù)極內(nèi)嵌鋰的碳成分暴露在電解液中，引發(fā)放熱反應(yīng)，從而升高溫度。相反，溫度升高會(huì)加速SEI膜的進(jìn)一步分解。如果沒有外部冷卻機(jī)制，這個(gè)過程將持續(xù)到SEI膜完全分解。

在失控階段，一旦溫度超過140℃，正負(fù)極電極材料參與電化學(xué)反應(yīng)，由于反應(yīng)物質(zhì)量增加而導(dǎo)致溫度更快升高。在短時(shí)間內(nèi)，激烈的反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的氣體和熱量。熱量進(jìn)一步加熱氣體，使電池外殼膨脹并破裂，導(dǎo)致材料噴射等現(xiàn)象。失控達(dá)到最激烈的狀態(tài)，在此階段達(dá)到最高溫度。如果附近有其他電池，熱失控可能會(huì)通過將熱量傳遞到周圍環(huán)境而蔓延到它們。熱量可能傳導(dǎo)至導(dǎo)電部件或體積膨脹。最初間隔開的電池現(xiàn)在可以直接接觸，從而促進(jìn)電池外殼之間的熱傳遞。

在終止階段，一旦發(fā)生熱失控，只有當(dāng)所有反應(yīng)物消耗完后才能終止。消防部門的一份報(bào)告表明，對(duì)于鋰電池等含有高能物質(zhì)的封閉式設(shè)備，消防方法無法立即阻止正在發(fā)生的熱失控。滅火劑無法有效到達(dá)反應(yīng)物質(zhì)。在這種情況下，消防員面臨著很高的風(fēng)險(xiǎn)，而可用的措施卻有限。一般來說，采取的方法是隔離事故現(xiàn)場(chǎng)。熱失控只有在反應(yīng)物耗盡后才能自然終止。

如何防止鋰離子熱失控？

一、預(yù)防

1、熱失控的關(guān)鍵在于正負(fù)極材料和電解液的穩(wěn)定性。未來還需要在正極材料的包覆與改性、均質(zhì)電解液與電極的兼容性、電芯導(dǎo)熱性能的提升等方面取得更高的突破?；蛘哌x擇安全性高的電解液來起到阻燃的效果。

2、從外部角度實(shí)施系統(tǒng)升級(jí)和改進(jìn)。

· PTC（正溫度系數(shù)） 設(shè)備：在鋰離子電池中安裝PTC器件要考慮內(nèi)部壓力和溫度。當(dāng)電池因過充而溫度升高時(shí)，電池內(nèi)阻迅速增大以限制電流，從而將正負(fù)極間電壓降低至安全水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的自動(dòng)保護(hù)。

· 防爆閥門：當(dāng)電池內(nèi)壓異常時(shí)，防爆閥變形，切斷電池內(nèi)部用于連接的引線，從而停止充電。

· 強(qiáng)化冷卻方式：熱管理系統(tǒng)對(duì)于控制溫度并確保電池在合理的溫度下運(yùn)行至關(guān)重要。通常，熱管理系統(tǒng)由車輛控制器控制。當(dāng)電池組溫度異常時(shí)，通過空調(diào)系統(tǒng)及時(shí)冷卻或加熱，確保電池安全和壽命。

· 隔熱泡棉：寶益CR泡棉在動(dòng)力電池包中可以提供隔熱、緩沖、阻燃、密封、支撐，減震等功能，并且能夠在電池包的多個(gè)區(qū)域位置中使用，包括電芯與電芯之間、軟包電池極耳與極耳之間、水冷板與箱體之間、模組與模組之間、標(biāo)準(zhǔn)箱、PACK包，能夠有效預(yù)防熱失控的發(fā)生。

專為熱穩(wěn)定性而設(shè)計(jì)，寶益高導(dǎo)熱硅膠片自黏性強(qiáng)，高電氣絕緣，填充性能極佳，可加玻纖抗撕裂，低壓縮力下有良好導(dǎo)熱性能。它的導(dǎo)熱系數(shù)在1.2-9.0W/m.K之間，可彌散分布于不平整表面, 不變形，在-40℃~150℃可以穩(wěn)定工作，滿足UL94V0的阻燃等級(jí)。

滅菌監(jiān)測(cè)

1. 早中期監(jiān)測(cè)

· 實(shí)時(shí)熱失控預(yù)警技術(shù)BMS

目前，最容易實(shí)現(xiàn)的解決方案是使用BMS來監(jiān)控溫度、電壓和其他運(yùn)行參數(shù)，以檢測(cè)熱失控的早期跡象。為了提高其故障檢測(cè)能力，可以使用或開發(fā)更高精度和可靠性的溫度傳感器和電壓傳感器。同時(shí)，可以通過算法構(gòu)建更準(zhǔn)確、更有效的狀態(tài)參數(shù)估計(jì)模型，以更早地發(fā)現(xiàn)誤操作和異常情況。人工智能可以在這個(gè)過程中發(fā)揮一定的作用。但BMS解決方案也存在問題：外部參數(shù)監(jiān)測(cè)無法提供完整準(zhǔn)確的模擬，也無法準(zhǔn)確反映內(nèi)部電化學(xué)變化，使得現(xiàn)代BMS無法全面評(píng)估電芯潛在的熱失控風(fēng)險(xiǎn)。

· 基于內(nèi)部狀態(tài)預(yù)測(cè)的熱失控預(yù)警技術(shù)

由于從外部很難完全控制，因此從內(nèi)部開始，目前的研究方向包括使用嵌入式可折疊布拉格光纖傳感器或電化學(xué)阻抗分析儀頻率響應(yīng)分析來實(shí)時(shí)檢測(cè)內(nèi)部電池溫度和阻抗。但由于成本和技術(shù)問題，這些仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，無法應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

· 基于氣體檢測(cè)的熱失控預(yù)警技術(shù)

在鋰離子電池?zé)崾Э氐脑缙?，由于電池溫度、放電電壓、放電電流等特征識(shí)別參數(shù)的變化非常緩慢，普通BMS無法及早發(fā)現(xiàn)電池故障。此時(shí)，由于電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生大量氣體。因此，利用氣體檢測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)鋰離子電池?zé)崾Э仡A(yù)警是可行的。目前，已有一些企業(yè)開發(fā)出了氣體檢測(cè)與消防相結(jié)合的相關(guān)產(chǎn)品。

2. 后期監(jiān)控

當(dāng)電池隔膜開始大量溶解，導(dǎo)致電池內(nèi)部大面積短路時(shí)，由于正負(fù)極之間的大量短路，在此階段會(huì)出現(xiàn)電壓驟降。此時(shí)，熱失控是完全不可控的。

在此過程中會(huì)出現(xiàn)可檢測(cè)的電氣參數(shù)，即電池組端電壓。目前的BMS系統(tǒng)只能準(zhǔn)確采集每個(gè)串聯(lián)模塊（每個(gè)模塊包含多個(gè)并聯(lián)電池）的電壓數(shù)據(jù)。這種現(xiàn)象使得管理系統(tǒng)能夠檢測(cè)到電池單元中的故障。

但隨著時(shí)間的推移檢測(cè)到電壓下降，已經(jīng)是不可逆的熱失控時(shí)刻。冷卻措施的觸發(fā)信號(hào)失去了意義。

鋰電池組一旦發(fā)生熱失控，就如同射出的箭無法收回，因此我們需要做的就是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中考慮預(yù)防熱失控的策略、材料和解決方案，比如寶益CR泡棉和高導(dǎo)熱硅膠墊。事實(shí)上，熱失控發(fā)生得極其迅速，可以在短時(shí)間內(nèi)造成毀滅性的損害。因此，必須預(yù)防或抑制熱失控的危害。