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鋰離子電池起火與爆炸

最近,幾件鋰離子電池相關(guān)的安全事故備受關(guān)注,也引起了社會各界對電池安全問題的深入思考。

上海理想MEGA電動汽車起火事件(2025年10月23日)

10月23日晚,上海一輛理想MEGA在正常駕駛時,車底突然出現(xiàn)火苗,并在10秒內(nèi)火勢迅速蔓延至整車。兩名駕乘人員及時逃生,沒有造成人員傷亡。車輛最終被燒成空架。

國航航班鋰電池自燃事件(2025年10月18日)

中國國際航空公司CA139航班(由杭州飛往首爾)在飛行途中,置于行李架上的手提行李內(nèi)發(fā)生鋰電池自燃,現(xiàn)場出現(xiàn)噴出火舌并伴隨濃煙的情況,機(jī)組人員立即按照程序處置并決定緊急備降上海浦東機(jī)場。

成都小米SU7碰撞起火事件(2025年10月13日)

一輛小米SU7電動汽車在發(fā)生碰撞、撞上綠化帶后起火燃燒,據(jù)報(bào)道在緊急情況下車門未能有效打開,這一狀況可能阻礙了乘員及時逃生,并最終導(dǎo)致了駕駛員不幸身亡。

從這些事件可知,鋰離子電池的安全是最重要的指標(biāo)。這些案例揭示了電池安全問題的多個維度:既包括電池本身的熱失控風(fēng)險(xiǎn),也涉及整車的安全設(shè)計(jì);既存在于日常使用場景,也出現(xiàn)在極端條件下。

鋰離子電池著火與爆炸機(jī)理

當(dāng)鋰離子電池存在各種濫用時,鋰離子電池的溫度會上升。圖1是鋰離子電池?zé)崾Э刂懈鞣N反應(yīng)的反應(yīng)溫度范圍和放熱量[1]。

圖1. 鋰離子電池?zé)崾Э刂懈鞣N反應(yīng)的反應(yīng)溫度范圍和放熱量[1]

隨著溫度的上升,鋰離子電池中的副反應(yīng)狀況為:

(1)0℃~45℃,副反應(yīng)很少

鋰離子電池的通常使用溫度在0℃~45℃,在這個溫度范圍內(nèi),鋰離子電池副反應(yīng)很少。

(2)45℃~60℃,小電流下副反應(yīng)也很少

在45℃~60℃溫度范圍內(nèi),在小電流充放電情況下,鋰離子電池副反應(yīng)也很少。當(dāng)電池溫度達(dá)到45℃以上,電池內(nèi)部就可能存在異常,如有異常,應(yīng)及時斷電和處理。

(3)60℃~100℃,高溫容量衰減

隨著電池溫度上升,當(dāng)溫度高于60℃,電池中副反應(yīng)增加,導(dǎo)致電池容量衰減。

(4)80℃~120℃,固體電解質(zhì)膜(SEI)分解

一般認(rèn)為SEI膜分解溫度在80℃~120℃之間。當(dāng)電池溫度達(dá)到80℃,SEI膜開始分解反應(yīng),當(dāng)電池溫度達(dá)到90℃, SEI膜分解反應(yīng)變得明顯。

(5)130℃~250℃,負(fù)極與電解液反應(yīng)

負(fù)極表面失去SEI膜后,負(fù)極與電解液中的碳酸酯類溶劑發(fā)生副反應(yīng),生成碳酸鋰、乙烯、乙烷和丙烷等,放出大量的熱,鋰離子電池的溫度繼續(xù)上升。

(6)120℃~270℃,隔膜關(guān)閉、收縮和分解,正負(fù)極短路

當(dāng)溫度達(dá)到130℃時,PE隔膜開始熔化和熱收縮,形成閉孔效應(yīng)。當(dāng)溫度達(dá)到170℃時,PP隔膜開始熔化和熱收縮,隔膜開始解體。當(dāng)隔膜解體后,正極和負(fù)極會連接在一起,發(fā)生短路,放出大量熱,電池溫度進(jìn)一步升高。

(7)150℃~450℃,安全閥打開和氣體噴出

高溫下,電池中會發(fā)生很多反應(yīng):電解質(zhì)和溶劑分解反應(yīng)、負(fù)極與粘接劑反應(yīng)、正極與電解液反應(yīng)、正極材料分解反應(yīng)等,產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳、氟化氫、乙烯、乙烷、氫氣和氧氣等多種氣體,電池內(nèi)部壓力不斷增大。當(dāng)電池內(nèi)部壓力大于安全閥開啟壓力,安全閥被打開,高溫高壓氣體噴出。

(8)350℃~650℃,噴出氣體的著火和爆炸等過程

噴出的氣體中含有大量可燃?xì)怏w,當(dāng)遇到空氣,溫度達(dá)到燃點(diǎn)或有引火源時,滿足燃燒的條件,就會著火并放出大量的熱量,溫度可高達(dá)900℃。如果可燃?xì)怏w與空氣在密閉空間內(nèi)充分均勻混合,滿足燃燒條件,就會發(fā)生爆炸。燃燒結(jié)束后,殘余物會冷卻至環(huán)境溫度。

鋰離子電池著火與爆炸的誘因

鋰離子電池著火與爆炸的誘因通常被分為以下三類:機(jī)械濫用、電濫用和熱濫用[1]。

(1)機(jī)械濫用

由于碰撞、擠壓或針刺等導(dǎo)致電池機(jī)械變形甚至隔膜部分破裂引發(fā)內(nèi)短路。

(2)電濫用

外短路、過充、過放、大電流充電或低溫充電等導(dǎo)致電池發(fā)生短路。

(3)熱濫用

加熱、暴曬等導(dǎo)致電池溫度過高,導(dǎo)致SEI膜和隔膜等發(fā)生破壞,正負(fù)極短路。

這3類誘因的共同問題是內(nèi)短路。實(shí)際上導(dǎo)致鋰離子電池著火與爆炸的誘因還有:化學(xué)和材料濫用、設(shè)計(jì)和工藝濫用、制造和環(huán)境濫用等(如圖2所示)。

圖2 鋰離子電池著火與爆炸的誘因[1]

鋰離子電池的安全性能是其最重要的技術(shù)指標(biāo),從熱失控機(jī)理來看,電池內(nèi)部從SEI膜分解、隔膜熔毀到電解液燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)一旦觸發(fā),就會在極短時間內(nèi)釋放巨大能量,最終導(dǎo)致起火甚至爆炸。這一過程可能由機(jī)械碰撞、電濫用或熱沖擊等單一或多重因素引發(fā),而其本質(zhì)往往源于電池內(nèi)部短路。當(dāng)前行業(yè)在提升電池安全性方面仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn),不僅需要從材料體系(如開發(fā)更穩(wěn)定的電解質(zhì)和更高熔點(diǎn)的隔膜)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(如加強(qiáng)碰撞防護(hù)和熱管理)層面進(jìn)行研究,還需要在生產(chǎn)工藝、質(zhì)量控制和系統(tǒng)監(jiān)控等全鏈條建立更嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)。鋰離子電池安全還有很多工作要做啊。

參考文獻(xiàn):

[1]馮旭寧. 車用鋰離子動力電池?zé)崾Э卣T發(fā)與擴(kuò)展機(jī)理、建模與防控[博士學(xué)位論文].清華大學(xué),2016.

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