鉅大LARGE | 點擊量：4264次 | 2021年05月24日
什么是熱失控？從濫用到熱失控電芯到底經歷了什么？
我國已經將發展高能量密度的鋰離子電池作為國家策略，十一五重點發展了磷酸鐵鋰正極鋰離子電池，十二五重點發展了三元正極鋰離子電池，十三五正在重點研發高鎳三元正極+硅碳負極鋰離子電池，高能量密度材料的應用在提高電芯能量密度的同時，也降低了電芯自身的熱穩定性，使之更易導致安全問題，比如熱失控，外界表現就是冒煙、起火和爆炸。常見導致電芯熱失控的濫用情況有機械濫用、電氣濫用和熱濫用。這幾種觸發方式應該比較容易理解，但關于它們觸發熱失控的機理以及在熱失控過程中的關鍵性特點，你了解多少呢？今天，本文帶大家梳理從濫用情況到電芯熱失控的關鍵過程。
圖1純電動汽車用鋰離子電池發展路線圖
電芯的濫用情況可進一步細分，機械濫用分為擠壓和針刺，電氣濫用分為過充和過放，熱濫用的特點在于外部高溫，三種濫用之間即相互獨立又緊密相連，機械濫用可以觸發短路，這是電氣濫用的一個常見特點，而短路釋放熱量，引發熱濫用狀態。在熱濫用條件下，電池被加熱到極端溫度，然后發生熱失控。
一、鋰離子電池的機械濫用擠壓和針刺
在汽車碰撞的過程中，電池組發生變形，電芯相互擠壓致隔膜破裂，內部短路發生，電池的電能將在短時間內持續釋放，電池的溫度通過吸收短路出現的熱量而上升，溫度上升直到電池能量完全釋放完停止，過高的溫度極易點燃泄露的可燃電解液，發生起火和爆炸，與擠壓相比，針刺也可能源于車輛的碰撞，但在針刺開始的時刻就可以瞬間觸發鋰離子電池的內短路，當電池溫度達到閾值時（120℃），電池發生副反應溫度進一步加速上升發生熱失控。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
二、鋰離子電池的電氣濫用過充和過放
圖3鋰離子電池過充電內部短路機理
過度充電導致的熱失控比其他的濫用情況更加苛刻。電池管理系統(BMS)在上電壓限制前停止充電過程的失敗是造成過度充電的常見原因。電池內部的不一致決定了電壓最高的電池是第一個被過充電的電池，其次是其他電池。在過充電過程中石墨陽極充滿嵌鋰之后，金屬鋰開始沉積在陽極表面形成鋰枝晶，而隨著金屬鋰的不斷沉積，鋰枝晶在塌陷中不斷生長，最終刺穿隔膜發生內短路，電芯熱失控。
圖4過放條件下銅的溶解和沉積導致內短路的機理
過度放電是另一種可能的濫用電氣的情況。一般來說，電池組內的電壓不一致是不可防止的。因此，一旦BMS沒能監測任何單個電芯的電壓，最低電壓的電池就會被過度放電。在過放電過程中陽極的形態發生了變化，過度放電導致了銅集流體的溶解。溶解的銅遷移并沉積在陽極表面，最終導致內短路和容量降低。
三、鋰離子電池的熱濫用
圖5內短路造成熱失控
在電池組中，局部過熱是可能發生的典型的熱濫用狀態。除了由機械/電氣引起的過熱現象外，過熱也可能是由于電芯連接器的接觸造成的。電芯的隔膜是一層塑料材料，材質重要為PE和PP，它把電池的正負極隔開，只允許電解液中的鋰離子通過。當電芯處于高溫環境中時，溫度經外殼傳導至隔膜，隔膜受熱收縮和破裂，電池正負極內短路，從而發生熱失控。
電池的濫用情況各種各樣，各個濫用情況造成的熱失控機理各有不同，但是它們都有一個顯著的特點那就是內短路，內短路的發生使電池自身的電能在短時間內轉換為熱量，促使電池溫度急劇升高，達到電池內部副反應的起始溫度，從而發生熱失控，電池內短路的精確預測將會是以后電池熱失控的控制以及預測的關鍵點。
