近期突發，鋰電池熱失控致4人燒傷！到底什么是熱失控？

不久前的一個凌晨，上海楊浦區鐵嶺路一居民樓發生一起火災，致4人不同程度燒傷。經調查，起火原因系該樓居民孫某某違反規定，將電動自行車停放在1樓樓道內，電動自行車鋰離子蓄電池熱失控引發。

什么是鋰電池熱失控？

鋰離子電池熱失控是指多種因素引發的連鎖反應，產生熱量，使鋰離子電池熱失控溫度升高到千攝氏度以上，使鋰電池劇烈點燃，在電池內部放出大量熱量和有害氣體。因此，當鋰離子電池發生熱失控時，整個電池組釋放的能量是驚人的。一個由100個電池組成、充電容量為100Ah的電池組，其失控能量為240,000,000J，相當于57公斤TNT。盡管科學家和工程師不斷改進設計、增強算法，進而有效提高汽車鋰離子電池組的安全性，但在現實生活中我們還是會時不時聽到一些電動汽車、手機起火的情況。

造成電池熱失控的原因是什么？

過度充電：電池本身有過充保護，但如果這個過充保護失靈，電池繼續充電，就會導致過充，引發熱失控。隨著電池使用時間的推移，老化變得更加嚴重，電池組的一致性變差。此時，如果電池過度充電，則極易出現熱安全問題。因此，有必要始終請遵循安全充電說明。

過熱：當電池進行高速放電或遇到極端條件時，電池內部溫度逐漸升高。當電池內積聚大量熱量時，如果不及時限制放電電流，可能會導致鋰電池熱失控。

機械：沖擊、內部短路和其他損壞電池組的行為可能會導致熱失控。

鋰電池熱失控發生過程

熱失控分為三個階段：自加熱階段（50℃-140℃）、失控階段（140℃-850℃）和終止階段（850℃-室溫）。一些文獻表明，隔膜的大量熔化溫度在 140°C 左右開始。

自加熱階段，也稱為熱量積累階段，從SEI膜的溶解開始。當溫度達到 90°C 左右時，SEI 膜的溶解變得明顯。 SEI膜的溶解使負極和負極內嵌鋰的碳成分暴露在電解液中，引發放熱反應，從而升高溫度。相反，溫度升高會加速SEI膜的進一步分解。如果沒有外部冷卻機制，這個過程將持續到SEI膜完全分解。

在失控階段，一旦溫度超過140℃，正負極電極材料參與電化學反應，由于反應物質量增加而導致溫度更快升高。在短時間內，激烈的反應會產生大量的氣體和熱量。熱量進一步加熱氣體，使電池外殼膨脹并破裂，導致材料噴射等現象。失控達到最激烈的狀態，在此階段達到最高溫度。如果附近有其他電池，熱失控可能會通過將熱量傳遞到周圍環境而蔓延到它們。熱量可能傳導至導電部件或體積膨脹。最初間隔開的電池現在可以直接接觸，從而促進電池外殼之間的熱傳遞。

在終止階段，一旦發生熱失控，只有當所有反應物消耗完后才能終止。消防部門的一份報告表明，對于鋰電池等含有高能物質的封閉式設備，消防方法無法立即阻止正在發生的熱失控。滅火劑無法有效到達反應物質。在這種情況下，消防員面臨著很高的風險，而可用的措施卻有限。一般來說，采取的方法是隔離事故現場。熱失控只有在反應物耗盡后才能自然終止。

如何防止鋰離子熱失控？

一、預防

1、熱失控的關鍵在于正負極材料和電解液的穩定性。未來還需要在正極材料的包覆與改性、均質電解液與電極的兼容性、電芯導熱性能的提升等方面取得更高的突破。或者選擇安全性高的電解液來起到阻燃的效果。

2、從外部角度實施系統升級和改進。

· PTC（正溫度系數） 設備：在鋰離子電池中安裝PTC器件要考慮內部壓力和溫度。當電池因過充而溫度升高時，電池內阻迅速增大以限制電流，從而將正負極間電壓降低至安全水平，實現對電池的自動保護。

· 防爆閥門：當電池內壓異常時，防爆閥變形，切斷電池內部用于連接的引線，從而停止充電。

· 強化冷卻方式：熱管理系統對于控制溫度并確保電池在合理的溫度下運行至關重要。通常，熱管理系統由車輛控制器控制。當電池組溫度異常時，通過空調系統及時冷卻或加熱，確保電池安全和壽命。

· 隔熱泡棉：寶益CR泡棉在動力電池包中可以提供隔熱、緩沖、阻燃、密封、支撐，減震等功能，并且能夠在電池包的多個區域位置中使用，包括電芯與電芯之間、軟包電池極耳與極耳之間、水冷板與箱體之間、模組與模組之間、標準箱、PACK包，能夠有效預防熱失控的發生。

專為熱穩定性而設計，寶益高導熱硅膠片自黏性強，高電氣絕緣，填充性能極佳，可加玻纖抗撕裂，低壓縮力下有良好導熱性能。它的導熱系數在1.2-9.0W/m.K之間，可彌散分布于不平整表面, 不變形，在-40℃~150℃可以穩定工作，滿足UL94V0的阻燃等級。

滅菌監測

1. 早中期監測

· 實時熱失控預警技術BMS

目前，最容易實現的解決方案是使用BMS來監控溫度、電壓和其他運行參數，以檢測熱失控的早期跡象。為了提高其故障檢測能力，可以使用或開發更高精度和可靠性的溫度傳感器和電壓傳感器。同時，可以通過算法構建更準確、更有效的狀態參數估計模型，以更早地發現誤操作和異常情況。人工智能可以在這個過程中發揮一定的作用。但BMS解決方案也存在問題：外部參數監測無法提供完整準確的模擬，也無法準確反映內部電化學變化，使得現代BMS無法全面評估電芯潛在的熱失控風險。

· 基于內部狀態預測的熱失控預警技術

由于從外部很難完全控制，因此從內部開始，目前的研究方向包括使用嵌入式可折疊布拉格光纖傳感器或電化學阻抗分析儀頻率響應分析來實時檢測內部電池溫度和阻抗。但由于成本和技術問題，這些仍處于實驗室階段，無法應用于實際生產。

· 基于氣體檢測的熱失控預警技術

在鋰離子電池熱失控的早期，由于電池溫度、放電電壓、放電電流等特征識別參數的變化非常緩慢，普通BMS無法及早發現電池故障。此時，由于電池內部的電化學反應，會產生大量氣體。因此，利用氣體檢測傳感器實現鋰離子電池熱失控預警是可行的。目前，已有一些企業開發出了氣體檢測與消防相結合的相關產品。

2. 后期監控

當電池隔膜開始大量溶解，導致電池內部大面積短路時，由于正負極之間的大量短路，在此階段會出現電壓驟降。此時，熱失控是完全不可控的。

在此過程中會出現可檢測的電氣參數，即電池組端電壓。目前的BMS系統只能準確采集每個串聯模塊（每個模塊包含多個并聯電池）的電壓數據。這種現象使得管理系統能夠檢測到電池單元中的故障。

但隨著時間的推移檢測到電壓下降，已經是不可逆的熱失控時刻。冷卻措施的觸發信號失去了意義。

鋰電池組一旦發生熱失控，就如同射出的箭無法收回，因此我們需要做的就是在產品設計和實施過程中考慮預防熱失控的策略、材料和解決方案，比如寶益CR泡棉和高導熱硅膠墊。事實上，熱失控發生得極其迅速，可以在短時間內造成毀滅性的損害。因此，必須預防或抑制熱失控的危害。