鋰電池熱失控的原因及其引發方式的實驗設計研究

程相靜

[摘 要]目前鋰電池的需求量在逐年增加，隨之而來的是巨大的運輸風險。引起鋰電池熱失控的原因可以分為兩類：一類是內部原因，主要是鋰電池內部的各種材料的放熱反應所產生的熱量小于所散失的熱量時便會造成熱失控；另一類是外部原因，過熱、撞擊、過充等都有可能有引發鋰電池發生熱失控。通過對鋰電池熱失控的原因分析，設計了兩種引發鋰電池發生熱失控的實驗，為進一步探究鋰電池熱失控的引發方式打下了堅實的基礎，為以后的研究起到了指導性的作用。

[關鍵詞]鋰電池；熱失控；過熱；過充

目前鋰離子電池（以下簡稱鋰電池）在電動車用電源、航空航天電源以及移動設備電源等多方面應用十分廣闊，鋰電池擁有能量密度大、輸出電壓高以及環境污染小等優點但是由于鋰電池的需求量在不斷增加，造成了其運輸風險不斷增大。2006年和2010年美國聯合包裹速遞服務公司（UPS）兩架貨機由于鋰電池發生熱失控導致火災發生最后造成機毀人亡的空難事故發生。2015年中國國際航空公司CA1549航班同樣由于鋰電池的熱失控自燃起火造成災害的發生。

正是由于鋰電池熱失控事故的頻繁發生，國內外研究學者對熱失控過程、機理以及引發熱失控的方式等方面開展研究。胡棋威等人選用一個由2到3個圓柱形鋰電池組成電池組作為研究對象，使用電阻絲加熱的方式引發了單只鋰電池發生熱失控，從而研究鋰電池熱失控傳播的主要途徑。Feng研究表明，電池殼的熱傳導是鋰電池熱傳遞的主要方式。楊明國等人認為當電池之間互不接觸時熱失控同樣可以傳遞，

這是因為當第一節電池發生熱失控后所產生的高溫火苗會導致相鄰的鋰電池溫度升高。Lamb J等人通過針刺的方式引發了圓柱形18650鋰電池和堆疊的袋裝電池發生熱失控，并記錄了熱失控傳播過程中電池的表面溫度和電壓等數據。本文主要通過不同的加熱方式設計相關實驗，使鋰電池發生熱失控，并對鋰電池熱失控的傳播特點進行了分析。

一、 引發鋰電池熱失控的原因分析

1.引發鋰電池熱失控的內部原因

鋰電池是指使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料以及非水電解質制成的可充電二次電池。電池內部的各種材料間的化學反應會使得熱量逐漸積累，當電池內的散熱速率跟不上產熱速率，也即是散熱量小于產熱量，便會導致熱失控現象的發生。因此鋰電池發生熱失控與其內部的熱效應有很大的關系。主要的放熱反應有：SEI膜的分解；電解液的分解；正極分解；負極與電解液的反應；負極與粘合劑的反應；電池電阻的產熱。SEI膜是在首次充電的過程中，在負極表面生成的絕緣保護膜，使之不與電解液發生反應，但是該膜不穩定，在90-120℃時便會發生分解釋放熱量。若溫度繼續升高超過120℃時，SEI膜分解，負極與電解液發生化學反應釋放出熱量。接下來隨著熱量的積累，溫度逐漸的升高，負極與粘合劑也逐漸發生反應，Maleki H等報道了LixC6與PVDF的反應熱為1.32×103J/g，反應開始的溫度為200℃，在287℃時達到最大值。眾多研究學者對電解液的分解研究上有些分歧，，但唯一確定的是在電解液發生分解時同樣會產生大量的熱量。

2.引發鋰電池熱失控的外部原因

鋰電池在設計時為了出于安全考慮使用了安全閥門，但是在實際運用過程中由于人們的不正當操作，如過充、短路、撞擊、過熱等情況下都會引發鋰電池發生熱失控現象。鋰電池所使用的電解質為有機溶劑，過充會加速鋰電池的正負極以及粘結劑的放熱化學反應，產生大量的熱進而誘導鋰電池發生熱失控。而當鋰電池發生外部短路時，即正負極直接相連，在電池內部的小空間中會突然產生大量的熱，引發內部各種放熱反應，同時反應產生的氣體會使電池內部的壓強增大，從而使得電池的安全閥門被頂開，電池外殼變形，造成電池爆炸。另外一種方式就是過熱，當鋰電池所處的環境溫度過高，就相當于對電池進行加熱，從而引發電池內部的一系列放熱反應，比如SEI膜的分解、負極與電解液發生發應等，從而引發鋰電池的熱失控。

二、 引發鋰電池熱失控的方式及其實驗設計

1. 加熱引發鋰電池熱失控

通過對鋰電池熱失控的原因分析，可以得到其中過熱對鋰電池的影響最大，所以實驗室中經常用加熱的方式使鋰電池在短時間內出現過熱現象，從而誘導鋰電池發生熱失控。

實驗室中常用的加熱鋰電池的方法有電加熱、明火加熱和油加熱。明火加熱對單節電池或者多節電池進行加熱時溫度高升溫速度快，可以很好地引發電池的熱失控，但是整個過程非常迅速不易觀察到鋰電池處在熱失控狀態下的變化過程。油加熱的危險性較大并且對實驗設備的要求較高。而電加熱卻可以避免上述的問題，對溫度的可控性好并且實驗設備易操作，可觀察實驗過程中鋰電池的變化情況。所以對加熱引發鋰電池熱失控的實驗進行設計時應從電加熱的方式出發進行開展研究。

在實際運輸過程中鋰電池是按照一定的包裝標準放置到航空器中的。如下圖1所示，左邊是以10×10的紙質隔板隔開每一節鋰電池，右邊是以5×5個單節電池為一個電池模塊，然后以2×2的紙質隔板進行阻隔開，形成一個完整的包裝。

為了最大程度的模擬實際生活中鋰電池熱失控的環境，便以空運鋰電池的包裝方式為原型，以加熱棒來替代發生熱失控的第一節電池，來研究鋰電池在過熱情況下的熱失控傳遞情況。因此設計出如下四種方案，如圖2所示。

其中圖2中（a）是研究鋰電池直接接觸加熱棒，沒有任何隔板，當加熱一節電池時，觀察臨近電池的溫度變化以及狀態變化，從而得到鋰電池熱失控的傳播規律；圖（b）與圖（c）可以形成鮮明的對照組，比較不同厚度的阻隔板鋰電池熱失控的傳播情況。圖（d）是在封閉的情況下，加熱棒對電池進行加熱引發鋰電池熱失控，對比前三種實驗方案進行探討加熱引發鋰電池熱失控的情況。

2. 過充引發鋰電池熱失控

現實生活中，過充現象發生的非常頻繁，所謂的過充就是當電池充滿電之后未能及時斷電繼續充電的行為。對過充電實驗的設計從兩個角度進行考慮，首先確定電池的種類，本實驗所采用的鋰電池為18650型鋰離子電池，電池的容量為2600mAh，額定電壓為4.5V；其次選擇過充電的方式，一般情況下有兩種過充電的方式：（1）采用恒流和恒壓交換充電，先以1C電流進行恒流充電，當電池被充滿時，此時再采用恒壓充電，充電電壓為4.5V，直到電流小于1/3C為止，此為一個循環，增加電壓至4.6V進行充電，直到電流小于1/3C為止，此為第二個循環，以此類推，每次增加電壓0.1V，直到電池充壞為止。（2）采用恒流充電方式，一直以1C的電流進行充電，直到電池被充壞為止。在過充電的過程中，對鋰電池的表面溫度和電池的電壓做好實時記錄。并對結果進行分析，找到過充時間與單體電池發生熱失控的相關關系，從而得出結論，找到防止電池過充的措施，避免鋰電池發生熱失控。

三、結語

鋰電池的需求量在逐年的增加，但因為其復雜的結構，易發生熱失控，對其運輸也帶了極大的挑戰。引發鋰電池熱失控的原因有兩類：一類為自身內部原因，由于其內部復雜的反應而放出大量的熱量，當所產生的熱量大于散發的熱量時，便會引發熱失控的發生；另一類是外部原因，過熱、過充和撞擊等從外部給予鋰電池能量，破壞鋰電池的內部結構，同樣會引發鋰電池的熱失控。通過對兩個外部引發鋰電池熱失控方式的實驗設計，從而得到控制鋰電池熱失控的措施。但本文只是做出了實驗設計，雖然只是實驗設計，但在此過程中對鋰電池的熱失控有了非常詳細的了解，所以同樣意義重大，對以后的進一步工作打下了堅實的基礎。

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