锂电池不可忽视的热失控问题

随着新能源汽车、电化学储能的大力发展，锂电池的装机量在与日俱增。但新能源汽车和储能电站的事故频发，使得锂电池的安全问题备受关注。其中，最危险的因素就是热失控，下面我们重点讨论下锂电池的热失控问题。

热失控的原因

1. 机械滥用，如：挤压、碰撞、针刺等，在外力的作用下导致锂电池（电芯）发生形变，隔膜被破坏，正负极之间短路而诱发热失控。

2. 热滥用，锂电池高温环境下长时间工作，整个过程中的主要热源有：外界高温环境，使用过程中产生的极化热、反应热、分解热等。

3. 电滥用，锂电池过充电导致活性物质结构遭到破坏，电解液分解产气，导致电池内部压强增大。除此之外，还包括过放电、大倍率（超过规格）充电等。

图片来源：胡广，车用锂离子电池热失控研究综述

热失控机理

第一阶段，125℃，热失控开始阶段。SEI膜反应分解，SEI的分解使负极暴露在电解液中，促使电解液与负极中的锂反应并生成气体。

图片来源：黄沛丰，锂离子电池火灾危险性及热失控临街条件研究

第二阶段，125~180℃，电池内部气体释放和升温加速。该阶段产气速率加快，正极材料分解，如：LiCoO2分解产生O2。锂盐也会分解，如LiPF6分解生成LiF和路易斯酸PF5。而路易斯酸会在高温下与电解液反应产生大量的气体。

第三阶段，180℃以上，热失控发生。该阶段正/负电极材料与电解液之间的放热反应和电解液分解反应速率急剧增大，电池内部温度也相应的急剧升高，泄压阀打开或引发自燃。

也有研究者将热失控细分为如下范围：

图片来源：杨坤，锂离子电池热失控机理分析与解决策略

图片来源：胡广，车用锂离子电池热失控研究综述

热失控的预防措施

1. 设置安全阀，但安全阀压力值范围需要严格把控。

2. 安装热敏电阻，防止电池过充或短路。

3. BMS精确的热管理，电池使用过程中利用水冷、风冷等对电池降温。

4. 电解液中添加剂的使用，降低电解液的可燃性。

5. 提高SEI成膜质量，如：在电解液中添加LiCF3SO3等，使SEI中的无机成分更多。

6. 阻止正极材料与电解液的反应，如：电解液中添加剂的使用或正极材料的包覆。

7. 提高隔膜的熔点，如：在隔膜两侧涂陶瓷层。

8. 规范使用锂电池，减小或杜绝过充、过放电等人为因素。

不同环境温度下的热失控机理

低温下，风险因素主要来自负极侧的析锂及锂枝晶的生成。

常温下，风险因素主要来自极化（欧姆极化、电化学极化等）产热，或大倍率充/放电下的产热。

高温下，风险因素主要来自材料的失效，包括：SEI的分解，隔膜的收缩等。

附：参考文献

[1] 杨坤，锂离子电池热失控机理分析与解决策略

[2] 胡广，车用锂离子电池热失控研究综述

[3] 黄沛丰，锂离子电池火灾危险性及热失控临街条件研究

[4] 胡斯航，锂离子电池热失控风险综述

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