鉅大LARGE | 點擊量：1068次 | 2021年12月27日
電動汽車鋰離子電池為何會爆炸，現在的技術能防止嗎？
我們正在邁入能源革命的新時代，但當我們不斷眺望電能利用的美好未來時，總不免擔憂，鋰離子電池安全嗎？
電動汽車電池引發的爆炸事故：新華網
為何感覺近年鋰離子電池爆炸事故頻發？
無論是電動汽車還是儲能電站，都離不開一種關鍵的器件——電池。幾乎所有的電動汽車和七成以上的化學儲能電站應用的都是鋰離子電池，也就是我們手機和筆記本電腦中使用的這種電池。
由于鋰離子電池出色地實現了電能源的便攜化，助推了我們這個信息時代的發展。也因此，有三位對鋰離子電池技術發展貢獻最大的科學家獲得了諾貝爾化學獎。
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%
得益于鋰離子電池的發展，其使用場景離我們非常近，我們的手機、相機和藍牙耳機都要它，但為何應用到電動汽車上，鋰離子電池就發生了這么多事故？
這其實是一個概率的問題。比如某進口電動汽車所用的某進口電池號稱事故概率僅為一千萬分之一，但一輛車上要裝8000支這種電池，相當于一千萬支電池能夠裝1250輛電動汽車。也就是理論上1250輛電動汽車中，就有一輛車里的某支電池有可能會發生事故。若這個事故屬于電池燃燒或者爆炸級別的事故，就有可能引發其周圍的電池發生鏈式反應，進而造成電動汽車燃燒的大事故。
儲能電站方面的事故也是如此，相比于一輛電動汽車大概能儲存50～100度電，一個儲能電池的集裝箱體一般能儲存1000度電，而一個中大型儲能電站常常是幾十個這種儲能電池集裝箱的集合?？上攵?，這么大規模的電池用量，偶爾發生事故也很正常。另一方面，電動汽車與儲能電站的燃燒、爆炸事故的后果顯然要比手機電池嚴重太多，且目前的消防措施幾乎對其無能為力。當然，我們也不能忽視這個消息傳播如此迅速廣泛的時代，那些時而造成人員傷亡的嚴重事件，便更容易造成較大的社會影響。
為何鋰離子電池會燃燒甚至爆炸？
鋰離子電池是一種含能元器件，其重要由正極、負極、電解液和隔膜等組成。充電后其正極一般為過渡金屬氧化物，其具有較強的氧化性；負極則為內部嵌入大量鋰的石墨，有極強的還原性。電解液一般為有機酯類，具有熔點低、可燃等特點。
特別要注意的是，我們生活中的鞭炮也是一種含能器件，許多人了解其內含火藥的成分為一硫（磺，化學式S）二硝（石，化學式KNO3）三木炭，其中硝石為強氧化劑，硫磺與木炭為還原劑，當外界給出一個超過120度的刺激后，鞭炮內氧化還原反應劇烈發生，釋放大量氣體與熱量，火藥燃燒、鞭炮爆炸。
由此可見，理論上鋰離子電池本征便可能發生高放熱的氧化還原反應，且其內含的可燃電解液也會助推此反應，帶來燃燒甚至爆炸的后果。鋰離子電池燃燒或爆炸的威力有多大呢？光從其儲存電能的角度來說，150Wh/kg能量密度的普通鋰離子電池的電能大約是TNT炸藥爆炸出現熱量能量密度的1/10。
近年來的研究確鑿地證明，鋰離子電池事故中正負極在特殊情況下可直接發生劇烈氧化還原反應，甚至鋁和銅集流體也能以還原劑的方式直接參與反應，出現的熱量要顯著高于電池儲電對應的能量。一般來說，在密閉空間中鋰離子電池發生安全事故，其最高溫度能達到800℃以上，而一支43.4g重鋰離子電池發生爆炸時的爆熱相當于5.45gTNT，達到TNT當量的1/8。
而鋰離子電池之所以不以劇烈的氧化還原反應而是以電化學反應的方式將其內部的化學能可控地、源源不斷地轉化為電能，是因為隔膜將正負極有效地物理隔離及電子傳導絕緣（以及導離子電解液的存在）。但是，當出現各種內因或外因導致隔膜失效，進而正負極直接接觸后，這種內短路會帶來電能被瞬間釋放，出現大量熱并帶來高溫，瞬間破壞電池內部化學體系穩定，導致負極電解液、正極電解液、負極與正極之間，甚至集流體也參與的氧化還原反應，瞬時放熱升溫、造成電解液瞬間氣化進而夾雜著正負極活性物質粉末噴出電池殼體，帶來燃燒甚至爆炸的惡果，這個過程叫作熱失控（簡稱TR）。
根據近年來電動汽車事故場景統計，大部分事故都是由于“自燃”，包括靜置時（電池無充放電）、行駛時（電池放電）和充電時。少部分是出現外部熱源、碰撞和控制電路失效時發生的事故。
“自燃”屬于自發性熱失控，后者統稱為各種濫用條件下（熱濫用、機械濫用、電濫用）的熱失控。盡管兩類情景下熱失控最終帶來的升溫、燃燒等機制相似，對其展開研究的難易程度卻有很大的差別。目前，濫用條件下的熱失控由于激發條件可控，近年來研究取得很大進展，基本能夠定量描述各種濫用條件激發熱失控的機制及隨后的危害情況。但自發式熱失控，由于其誘因復雜不好預測，熱失控后的電池又被完全破壞很難復原熱失控前的微觀狀況，成為研究難點。
為何難以預測鋰離子電池熱失控？
自發式的熱失控是目前電動汽車最大的安全焦慮。為何其難以預防？這都要從電池的制造說起。
假如每一支電池從微觀的電極材料顆粒、隔膜到宏觀的極片、殼體封裝都100.000000000%的完全一致，那用幾千個或幾十萬個這種電池做成的電池組肯定會有更好的安全特性。你可能注意到這里百分之百的表達方式有點不相同，后面有十來個零，這代表著一種理想的預期——電池全尺度的高一致性。
眾所周知，電池不一致性的后果就是性能劣化的電池會更快地衰變，有些鈍化失活，直接失效；也有部分走向了另一條截然不同的道路——內短路進而熱失控、燃燒、爆炸。
那這種危害最大的自發式內短路為啥就不能預測呢？
原因重要一是這個衰變到內短路過程十分緩慢且外界電壓信號不明顯，二是出事的電池都直接在幾分鐘內直接進入破壞式的熱失控，電池全毀，證據無法回溯，也使得此領域研究進展緩慢。
真正精確模擬自發式內短路的過程，目前仍是一個難題。另外，電池類似一個黑箱，盡管我們能用一些電化學譜學和原位CT的技術手段從外部監控個別電池的電化學反應與內部微觀結構變化，但我們無法預測數千萬支電池中哪支會在數個月或數年后“猝死”并對其全生命周期的演變進行細致研究。每一支電池剛出廠時都幾乎絕無自發性熱失控風險，但哪支在半年后或三年后的某個夏夜或冬晨“猝死”并造成大規模燃燒事故？現在很難預測。
這像不像我們人體？
電池原料參數與制造工藝類似我們的基因，電池充放電制度如同我們的飲食習慣，電池使用環境溫度變化如同生長環境。隨著成長，總有一些人的身體中會出現長期炎癥或者更嚴重的血管病變，進而在短時間有可能發展成癌癥或造成卒中，這就類似電池內短路及隨后的熱失控。
假如我們有能力對地球上每個人24h的健康狀態進行實時監控，那我們就能夠盡早發現異常并進行處置，減少癌癥與卒中風險，但這顯然不符實際。同樣，我們也難以承擔對每一塊電池進行最全面的實時監控，現在大致能對數十塊電池組成的一個模組裝配監控電壓和整體溫度的裝置，而這離研究與預防電池單體自發性熱失控的要求顯然差距甚遠。
能夠確定的一點是，提高電池的一致性能提高電池組的安全性和可靠性。然而，完美的一致不可能做到，單說電池正負極活性物質的顆粒，其每一個的形狀、表面狀態、缺陷等特點，只要放到分辨率足夠高的設備下都能看出差別。除了原料，電池制備還涉及數十道復雜的工序，想讓電池保持一致非常困難。盡管現在動力鋰離子電池產業投資動輒數億就是為了獲得更高的加工精度，但鋰離子電池眾多的原料和復雜的制備工序使得一致性的提升成為一項永無止境的任務。
電動汽車當然還會繼續發展，我國也將繼續推廣大規模儲電技術在能源體系中的應用。根據我國能源結構現狀，電動汽車在我國中長期能源戰略與未來可持續發展具有重要地位。相信隨著電池技術體系的持續高速發展，未來5~10年，其可靠性與安全性必將顯著提升。
但是，完全杜絕鋰離子電池的燃燒事故，幾乎是不可能的。
當然，在尊重客觀現實的情況下，還有很多提升安全性的工作可以展開。首先是創新的預警技術，比如斯坦福大學近期報道對氫氣信號的靈敏捕捉能把預警鋰離子電池熱失控的時間前推5分鐘，這足夠電動汽車上的人員逃生的了。另外，電池的“自毒化”技術也比較有效，其機制是當電池發生熱失控的前期，能夠釋放出一些特殊化學物質使得電池內部鈍化“癱瘓”，打斷了熱失控的鏈條。
正視鋰離子電池安全性，大力發展創新高效的安全性提升技術，持續提升電池制造一致性?？傆幸惶?，這類“爆炸性”新聞，將不再在我們生活中出現，我們可以安心地使用電動汽車。
致謝：感謝清華大學核研院王莉與車輛學院馮旭寧兩位老師供應的相關資料及有益討論。
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