鋰電池組發(fā)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(fā)熱失控原因和熱失控過程。熱失控是鋰離子電池最為嚴(yán)重的安全問題之一，熱失控會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生起火、爆炸，嚴(yán)重威脅使用者的生命和財(cái)產(chǎn)安全。電池的安全性和鋰電池組的設(shè)計(jì)、濫用條件有很大關(guān)系。下面就介紹一下鋰電池組發(fā)熱失控原因和熱失控過程。

　　鋰電池組發(fā)熱失控原因

　　動(dòng)力電池工作后是必然要發(fā)熱的，常態(tài)下是可控的，但是非常態(tài)下會(huì)失控。如果失控，必然會(huì)發(fā)生火災(zāi)。技術(shù)上必須要搞清楚，對(duì)失控原因分析是必須的。歸納起來，有內(nèi)、外2個(gè)方面的基本原因：

　　(1)外因：過充電觸發(fā)熱失控、外力導(dǎo)致熱失控、過熱觸發(fā)熱失控；

　　(2)內(nèi)因：電池內(nèi)部短路觸發(fā)熱失控。

　　參與“熱失控”反應(yīng)的是鋰電池中的氧化鈷化學(xué)物。加熱這種化學(xué)物達(dá)到一定溫度，它就開始自發(fā)熱，然后發(fā)展成起火和爆炸。在某些情況下，這種有機(jī)電解液釋放壓力會(huì)導(dǎo)致電池破裂。如果暴露在高溫環(huán)境下，或者是遇到火花，它也有可能會(huì)燃燒。

　　從本質(zhì)上而言，“熱失控”是一個(gè)能量正反饋循環(huán)過程：升高的溫度會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)變熱，系統(tǒng)變熱升高溫度，這又反過來又讓系統(tǒng)變得更熱。熱失控是很常見的現(xiàn)象，從混凝土養(yǎng)護(hù)到恒星爆炸，都有可能會(huì)出現(xiàn)熱失控。

　　熱失控現(xiàn)象及其強(qiáng)度與鋰電池組的大小、配置和電池單元的數(shù)量有關(guān)。小型鋰電池組只有幾個(gè)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(jī)會(huì)相對(duì)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(dāng)一個(gè)電池單元熱到足以點(diǎn)燃電解質(zhì)時(shí)，其余的電池單元就會(huì)迅速跟進(jìn)。

　　電池充電時(shí)，金屬鋰的表面沉積非常容易聚結(jié)成枝杈狀鋰枝晶，從而刺穿隔膜，造成正負(fù)極直接短路。而且，金屬鋰非?；顫姡芍苯雍碗娊庖悍磻?yīng)放熱，其熔點(diǎn)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(huì)溶解，從而引發(fā)短路。材料發(fā)生氧化還原熱反應(yīng)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(qiáng)，發(fā)生反應(yīng)就越劇烈，也越容易引發(fā)安全事故。

　　動(dòng)力電池是能源系統(tǒng)，工作一定會(huì)發(fā)熱。要保障絕對(duì)安全，必須從工程上，有可靠技術(shù)來保障它的發(fā)熱是可控的。

　　鋰離子電池?zé)崾Э剡^程

　　電池?zé)崾Э囟际怯捎陔姵氐纳鸁崴俾蔬h(yuǎn)高于散熱速率，且熱量大量累積而未及時(shí)散發(fā)出去所引起的。從本質(zhì)上而言，“熱失控”是一個(gè)能量正反饋循環(huán)過程：升高的溫度會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)變熱，系統(tǒng)變熱后溫度升高，又反過來讓系統(tǒng)變得更熱。不嚴(yán)格的劃分，電池?zé)崾Э乜梢苑譃槿齻€(gè)階段：

　　第1階段：電池內(nèi)部熱失控階段

　　由于內(nèi)部短路、外部加熱，或者電池自身在大電流充放電時(shí)自身發(fā)熱，使電池內(nèi)部溫度升高到90℃～100℃左右，鋰鹽LiPF6開始分解；對(duì)于充電狀態(tài)的碳負(fù)極化學(xué)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(jié)劑會(huì)發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)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(yīng)發(fā)生，例如電解質(zhì)大量分解，生成PF5，PF5進(jìn)一步催化有機(jī)溶劑發(fā)生分解反應(yīng)等。

　　第2階段：電池鼓包階段

　　電池溫度達(dá)到200℃之上時(shí)，正極材料分解，釋放出大量熱和氣體，持續(xù)升溫。250-350℃嵌鋰態(tài)負(fù)極開始與電解液發(fā)生反應(yīng)。

　　第3階段：電池?zé)崾Э?，爆炸失效階段

　　在反應(yīng)發(fā)生過程中，充電態(tài)正極材料開始發(fā)生劇烈分解反應(yīng)，電解液發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，釋放出大量的熱，產(chǎn)生高溫和大量氣體，電池發(fā)生燃燒爆炸。

　　電池?zé)崾Э氐念A(yù)測(cè)

　　美國德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校的KrishnaShah對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象進(jìn)行了分析，并建立了一套鋰電池組熱失控的預(yù)測(cè)機(jī)制，對(duì)于鋰電池的安全設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。相關(guān)研究顯示，鋰離子電池?zé)崾Э剡^程主要由一下反應(yīng)組成：SEI膜分解，電解液和粘結(jié)劑發(fā)生反應(yīng)，電解液和正極活性物質(zhì)發(fā)生分解。

　　影響鋰離子電池?zé)崾Э氐囊蛩乜梢苑譃閮蓚€(gè)，一個(gè)是電池內(nèi)部的產(chǎn)熱速率，另外一個(gè)是鋰離子電池的散熱速率。傳統(tǒng)的熱分析工具，一般假設(shè)鋰離子電池的產(chǎn)熱在整個(gè)體積內(nèi)是均勻的，因此這些工具分析認(rèn)為熱失控與電池的熱導(dǎo)率無關(guān)，這與鋰離子電池在實(shí)際中的情況是不同的，因此預(yù)測(cè)結(jié)果也是不準(zhǔn)確的。研究顯示，即使在26650電池內(nèi)部也存在這很大的熱梯度，因此傳統(tǒng)的方法和工具無法來準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電池內(nèi)部和外部的熱狀態(tài)。

　　總之，在熱失控?cái)U(kuò)展和抑制方面，研發(fā)人員要從安全保護(hù)設(shè)計(jì)和電池管理兩個(gè)方面著手。無論鋰電池組的大小都需要定期保養(yǎng)以延長其壽命，所有的鋰離子電池組通常都應(yīng)該每36個(gè)月左右就更換一次。而且，每當(dāng)電量降到20%的時(shí)候，你就應(yīng)該對(duì)它進(jìn)行充電，過度放電會(huì)損壞鋰電池，從而增加“熱失控”及其他事故的可能性。