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重的安全問題之一，熱失控會導致鋰離子電池發(fā)生起火、爆炸，嚴重威脅使用者的生命和財產(chǎn)安全。電池的安全性和鋰電池組的設(shè)計、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)下會失控。如果失控，必然會發(fā)生火災。技術(shù)上必須要搞清楚，對失控原因分析是必須的。歸納起來，有內(nèi)、外2個方面的基本原因：

　　(1)外因：過充電觸發(fā)熱失控、外力導致熱失控、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(fā)熱，然后發(fā)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(huán)境下，或者是遇到火花，它也有可能會燃燒。

　　從本質(zhì)上而言，“熱失控”是一個能量正反饋循環(huán)過程：升高的溫度會導致系統(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)護到恒星爆炸，都有可能會出現(xiàn)熱失控。

　　熱失控現(xiàn)象及其強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(zhì)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(jié)成枝杈狀鋰枝晶，從而刺穿隔膜，造成正負極直接短路。而且，金屬鋰非常活潑，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(fā)短路。材料發(fā)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(fā)生反應就越劇烈，也越容易引發(fā)安全事故。

　　動力電池是能源系統(tǒng)，工作一定會發(fā)熱。要保障絕對安全，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(fā)出去所引起的。從本質(zhì)上而言，“熱失控”是一個能量正反饋循環(huán)過程：升高的溫度會導致系統(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。不嚴格的劃分，電池熱失控可以分為三個階段：

　　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；對于充電狀態(tài)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(jié)劑會發(fā)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(fā)生，例如電解質(zhì)大量分解，生成PF5，PF5進一步催化有機溶劑發(fā)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(xù)升溫。250-350℃嵌鋰態(tài)負極開始與電解液發(fā)生反應。

　　第3階段：電池熱失控，爆炸失效階段

　　在反應發(fā)生過程中，充電態(tài)正極材料開始發(fā)生劇烈分解反應，電解液發(fā)生劇烈的氧化反應，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(xiàn)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(shè)計具有重要的參考意義。相關(guān)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(jié)劑發(fā)生反應，電解液和正極活性物質(zhì)發(fā)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(nèi)部的產(chǎn)熱速率，另外一個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)熱在整個體積內(nèi)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(guān)，這與鋰離子電池在實際中的情況是不同的，因此預測結(jié)果也是不準確的。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確預測電池內(nèi)部和外部的熱狀態(tài)。

　　總之，在熱失控擴展和抑制方面，研發(fā)人員要從安全保護設(shè)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(yǎng)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。