鋰離子電池火災(zāi)危險(xiǎn)性初探

摘要：蓄電池廣泛運(yùn)用于各類電子設(shè)備中，從以前的鉛蓄電池到現(xiàn)在的鋰離子電池，不僅電池的體積變小了，儲(chǔ)存的電量卻變多了，為人民生活帶來了極大的方便。近年來，鋰電池發(fā)展迅速，但起火爆炸導(dǎo)致的火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生，比較典型的鋰電池電動(dòng)自行車火災(zāi)，造成人員傷亡，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成較大威脅。筆者從鋰離子電池構(gòu)造入手，就過充、鋰枝晶、外界撞擊及隔膜缺陷等方面分析鋰電池火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，在研發(fā)和使用領(lǐng)域提出解決方案。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;火災(zāi)危險(xiǎn)性;解決方法

一、鋰離子電池火災(zāi)案例

2012年，埃塞俄比亞航空的波音787飛機(jī)在希思羅機(jī)場發(fā)生火災(zāi)，起火的原因?yàn)轱w機(jī)內(nèi)鋰電池短路。

2019年6月11日，云南省大理古城內(nèi)一處民房發(fā)生火災(zāi)，6人不幸遇難。經(jīng)調(diào)查，火災(zāi)原因是鋰電池在充電過程中起火蔓延成災(zāi)。

2020年7月8日，上海閔行區(qū)東川路811弄文馨苑15號(hào)一門面店發(fā)生火災(zāi)。經(jīng)調(diào)查，起火原因系電動(dòng)自行車鋰離子蓄電池在充電過程中發(fā)生故障，引燃周圍可燃物擴(kuò)大成災(zāi)并造成2人死亡。

2020年10月10日6時(shí)59分，上海市浦東新區(qū)塘橋新路一門面店發(fā)生火災(zāi)。此次火災(zāi)導(dǎo)致該店鋪3人遇難，2人受傷。起火原因系電動(dòng)自行車鋰電池在充電過程中故障起火引發(fā)火災(zāi)。

2021年1月25日，北京市一民房發(fā)生火災(zāi)，導(dǎo)致一對(duì)年輕的夫妻身亡。經(jīng)調(diào)查，原因?yàn)閿y帶電動(dòng)自行車蓄電池回家充電所致。

上述火災(zāi)的起火源均為鋰離子電池。

二、鋰離子電池的構(gòu)造和工作原理

鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、隔膜和電解液組成。正極層和負(fù)極層緊密地卷在一起。各層之間用絕緣體隔開。正極和負(fù)極都浸在電解液中。鋰離子電池是以碳材料為負(fù)極，通常是石墨;以含鋰化合物為正極，沒有金屬鋰，只有鋰離子。鋰離子電池實(shí)際上是一種鋰離子濃差電池，其工作原理是利用電子的得失和鋰離子的遷移聚集來實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)。當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子在電池的正極上產(chǎn)生，產(chǎn)生的鋰離子通過電解液移動(dòng)到負(fù)極。作為負(fù)極，碳具有多微孔的層狀結(jié)構(gòu)。到達(dá)負(fù)極的鋰離子嵌入到碳層的微孔中。嵌入鋰離子越多，充電容量越大。類似的，當(dāng)電池放電時(shí)，即在使用電池的過程中，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子出來并移回正極。鋰離子返回正極越多，放電容量越大。電極材料決定電池的電壓和容量。電解液作為鋰離子電池的重要組成部分，在電池充放電過程中起著傳遞電流的重要作用。為了防止浸泡在電解液中的正負(fù)極材料相互接觸而發(fā)生短路，采用聚烯烴分離器將正負(fù)極材料分開。

三、鋰電池的火災(zāi)危險(xiǎn)性

（一）鋰電池中的鋰金屬化學(xué)性質(zhì)十分活躍，是易燃物質(zhì)。經(jīng)過處理后會(huì)降低活性。在鋰電池正負(fù)極之間，還有一層金屬薄膜，可以防止電池內(nèi)部短路。而電池都是密封的，鋰離子根本沒有機(jī)會(huì)和空氣直接接觸，從而有效保證了電池的安全。但是如果電池受到外界撞擊，密閉性被破壞，和空氣接觸，就會(huì)跟空氣中的水發(fā)生猛烈的化學(xué)反應(yīng)，瞬間產(chǎn)生大量的氫氣，并釋放出熱能，極易引起燃燒和爆炸。

（二）鋰電池的充放電就是鋰離子的來回轉(zhuǎn)移，在充電的過程中鋰離子被還原成金屬鋰鍵入負(fù)極，一般情況下，鋰會(huì)嵌入層間結(jié)構(gòu)中。但由于生長的不確定性，鋰可能會(huì)在電極表面生長，并且生長層像樹枝一樣的刺狀結(jié)構(gòu)（鋰枝晶），它會(huì)破壞電池內(nèi)部的隔膜，引起電池內(nèi)部短路和電池爆炸。

（三）如果電池隔膜在生產(chǎn)過程中存在缺陷，金屬鋰顆粒穿過電池中的隔膜絕緣層便將正負(fù)極連接起來形成短路，改變了電流的方向，就會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量會(huì)降解內(nèi)部的材料，使化學(xué)反應(yīng)失去控制，釋放更多的熱量，進(jìn)而引燃電池組件。

（四）鋰電電池中的保護(hù)系統(tǒng)或者電池充電器損壞時(shí)，一旦充電電壓高于額定電壓（一般是4.2V），繼續(xù)充電就會(huì)導(dǎo)致過充現(xiàn)象。此時(shí)，剩余在陰極材料中的鋰離子繼續(xù)被去除并嵌入到陽極材料中。如果達(dá)到碳陽極的最大嵌鋰容量，多余的鋰會(huì)以金屬鋰的形式沉積在陽極材料上，這大大降低了電池的穩(wěn)定性，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致爆炸。

在行業(yè)快速發(fā)展的情況下，一些鋰電池生產(chǎn)企業(yè)由于粗制濫造和打產(chǎn)品價(jià)格戰(zhàn)，以及對(duì)電動(dòng)自行車等電動(dòng)工具進(jìn)行非法改裝，忽視了對(duì)電池的保護(hù)，這也為鋰電池的安全使用埋下了隱患。

四、鋰電池安全使用的解決方案

（一）對(duì)于鋰電生產(chǎn)廠家來說，優(yōu)質(zhì)的鋰電池采用堅(jiān)固的外殼防護(hù)，通常配以不銹鋼外殼和鋁合金外殼，甚至采用了鈦合金防護(hù)板，以防止使用中對(duì)電池容器產(chǎn)生損傷。

（二）鋰電池內(nèi)部電芯如果出現(xiàn)內(nèi)短路，會(huì)導(dǎo)致溫度升高、電芯內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)熱最終出現(xiàn)熱失控，隨后蔓延到整個(gè)電池包。電芯安全解決的是電池本質(zhì)安全，通過上面的分析，應(yīng)重點(diǎn)研究電池隔膜應(yīng)用，如凝膠電解質(zhì)和聚合物電解質(zhì)，特別是聚合物電解質(zhì)的開發(fā)，使電池沒有液體有機(jī)電解質(zhì)揮發(fā)，加強(qiáng)電池內(nèi)部隔膜牢固度，并最大限度消除隔膜缺陷，提高電池的安全性穩(wěn)定性。

（三）在鋰電池充電時(shí)，一定要設(shè)定電壓上限和過充保護(hù)，當(dāng)電壓超標(biāo)或電量充滿時(shí)自動(dòng)斷電，一般的做法是在電池的安全帽內(nèi)安裝PTC聚合物開關(guān)或防爆安全閥等措施，這類防過充電子保護(hù)裝置，在國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)中得到應(yīng)用。

（四）目前，鋰電池安全的共識(shí)已從單一安全轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安全，提高電池組的安全性能已成為業(yè)界的主流趨勢(shì)。全包安全是以系統(tǒng)的思想解決從單元、模塊到系統(tǒng)的全方位安全問題。它不僅是一個(gè)純粹的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，也不是一個(gè)簡單地增加隔熱。它是一套從小區(qū)本身到被動(dòng)安全增強(qiáng)，再到軟件主動(dòng)防控的安全技術(shù)。它也是一種軟硬件集成、超高防御能力的智能安全技術(shù)?；凇胺乐闺姵貎?nèi)短路、防止短路后熱失控、防止熱失控后熱蔓延”的設(shè)計(jì)思想，采用類似安全艙的設(shè)計(jì)，有效地阻止了熱失控電池的蔓延。當(dāng)檢測(cè)到電池電壓或溫度異常時(shí)，電池快速冷卻系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)以冷卻電池。合格的電子保護(hù)裝置和成熟的電池管理系統(tǒng)大大降低了鋰電池自燃的概率。

（五）鋰電電池的使用環(huán)節(jié)，以電動(dòng)自行車為例。鋰電池電動(dòng)車停放或充電時(shí)嚴(yán)禁置于室內(nèi)、通道或樓梯間，要選擇通風(fēng)、散熱好的環(huán)境進(jìn)行充電;充電時(shí)間應(yīng)按照產(chǎn)品說明書規(guī)范充電;充電線路要使用專用的固定電源進(jìn)行充電，嚴(yán)禁私拉亂接線路，嚴(yán)禁飛線充電;選購電動(dòng)車要選擇大品牌、質(zhì)量合格的正規(guī)產(chǎn)品。嚴(yán)禁私自改裝電動(dòng)車，定期對(duì)電動(dòng)車進(jìn)行維修和保養(yǎng);要選擇原裝充電器，嚴(yán)禁使用劣質(zhì)或不匹配的充電器。

五、鋰電池的展望

高倍率和高容量以及良好的循環(huán)性能是鋰電池的主要發(fā)展趨勢(shì)，在保證安全性的條件下，通過制備工藝改進(jìn)以及優(yōu)化電池材料性能，對(duì)電池的冷卻系統(tǒng)、電芯設(shè)計(jì)、整包布置等方面進(jìn)行全面優(yōu)化，為實(shí)現(xiàn)鋰電池高安全、高容量、高便利、低成本等商用目標(biāo)具有重大的意義。

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作者簡介：

莊軍（1977.04—），男，漢族，上海人，本科學(xué)歷，研究方向：消防監(jiān)督。