锂电池组发热失控原因和热失控过程

来源：存能电气  日期：2019-07-30 10:17  浏览量：次

　　锂电池组发热失控原因和热失控过程。热失控是锂离子电池最为严重的安全问题之一，热失控会导致锂离子电池发生起火、爆炸，严重威胁使用者的生命和财产安全。电池的安全性和锂电池组的设计、滥用条件有很大关系。下面就介绍一下锂电池组发热失控原因和热失控过程。

　　锂电池组发热失控原因

　　动力电池工作后是必然要发热的，常态下是可控的，但是非常态下会失控。如果失控，必然会发生火灾。技术上必须要搞清楚，对失控原因分析是必须的。归纳起来，有内、外2个方面的基本原因：

　　(1)外因：过充电触发热失控、外力导致热失控、过热触发热失控；

　　(2)内因：电池内部短路触发热失控。

　　参与“热失控”反应的是锂电池中的氧化钴化学物。加热这种化学物达到一定温度，它就开始自发热，然后发展成起火和爆炸。在某些情况下，这种有机电解液释放压力会导致电池破裂。如果暴露在高温环境下，或者是遇到火花，它也有可能会燃烧。

　　从本质上而言，“热失控”是一个能量正反馈循环过程：升高的温度会导致系统变热，系统变热升高温度，这又反过来又让系统变得更热。热失控是很常见的现象，从混凝土养护到恒星爆炸，都有可能会出现热失控。

　　热失控现象及其强度与锂电池组的大小、配置和电池单元的数量有关。小型锂电池组只有几个锂电池单元，所以热失控从有问题的电池单元传播到其他单元的机会相对较低。而波音787巨大的电池组就是另外一回事了：它们装在密封的金属盒里，不能排放余热，当一个电池单元热到足以点燃电解质时，其余的电池单元就会迅速跟进。

　　电池充电时，金属锂的表面沉积非常容易聚结成枝杈状锂枝晶，从而刺穿隔膜，造成正负极直接短路。而且，金属锂非常活泼，可直接和电解液反应放热，其熔点又很低，即使表面金属锂枝晶没有刺穿隔膜，只要温度稍高，金属锂就会溶解，从而引发短路。材料发生氧化还原热反应的温度越高，表明其氧化能力越弱，正极材料的氧化能力越强，发生反应就越剧烈，也越容易引发安全事故。

　　动力电池是能源系统，工作一定会发热。要保障绝对安全，必须从工程上，有可靠技术来保障它的发热是可控的。

　　锂离子电池热失控过程

　　电池热失控都是由于电池的生热速率远高于散热速率，且热量大量累积而未及时散发出去所引起的。从本质上而言，“热失控”是一个能量正反馈循环过程：升高的温度会导致系统变热，系统变热后温度升高，又反过来让系统变得更热。不严格的划分，电池热失控可以分为三个阶段：

　　第1阶段：电池内部热失控阶段

　　由于内部短路、外部加热，或者电池自身在大电流充放电时自身发热，使电池内部温度升高到90℃～100℃左右，锂盐LiPF6开始分解；对于充电状态的碳负极化学活性非常高，接近金属锂，在高温下表面的SEI膜分解，嵌入石墨的锂离子与电解液、黏结剂会发生反应，进一步把电池温度推高到150℃，此温度下又有新的剧烈放热反应发生，例如电解质大量分解，生成PF5，PF5进一步催化有机溶剂发生分解反应等。

　　第2阶段：电池鼓包阶段

　　电池温度达到200℃之上时，正极材料分解，释放出大量热和气体，持续升温。250-350℃嵌锂态负极开始与电解液发生反应。

　　第3阶段：电池热失控，爆炸失效阶段

　　在反应发生过程中，充电态正极材料开始发生剧烈分解反应，电解液发生剧烈的氧化反应，释放出大量的热，产生高温和大量气体，电池发生燃烧爆炸。

　　电池热失控的预测

　　美国德克萨斯大学阿灵顿分校的KrishnaShah对锂离子电池热失控现象进行了分析，并建立了一套锂电池组热失控的预测机制，对于锂电池的安全设计具有重要的参考意义。相关研究显示，锂离子电池热失控过程主要由一下反应组成：SEI膜分解，电解液和粘结剂发生反应，电解液和正极活性物质发生分解。

　　影响锂离子电池热失控的因素可以分为两个，一个是电池内部的产热速率，另外一个是锂离子电池的散热速率。传统的热分析工具，一般假设锂离子电池的产热在整个体积内是均匀的，因此这些工具分析认为热失控与电池的热导率无关，这与锂离子电池在实际中的情况是不同的，因此预测结果也是不准确的。研究显示，即使在26650电池内部也存在这很大的热梯度，因此传统的方法和工具无法来准确预测电池内部和外部的热状态。

　　总之，在热失控扩展和抑制方面，研发人员要从安全保护设计和电池管理两个方面着手。无论锂电池组的大小都需要定期保养以延长其寿命，所有的锂离子电池组通常都应该每36个月左右就更换一次。而且，每当电量降到20%的时候，你就应该对它进行充电，过度放电会损坏锂电池，从而增加“热失控”及其他事故的可能性。