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    发表时间/2021-12-28
  • 为何锂离子电池会燃烧甚至爆炸

      “自燃”属于自发热失控,在各种滥用条件下(热滥用、机械滥用、电气滥用)统称为热失控。虽然两种情景下热失控引起的升温和燃烧的机理相似,但研究的难易程度却有很大差异。目前,滥用条件下的热失控由于激发条件可控,近年来取得了很大的进展,基本上可以定量描述各种滥用条件诱发热失控的机理及后续危害。然而,自发热失控由于其诱因复杂且不可预测,且热失控后的电池被完全破坏,难以恢复热失控前的微观状态,成为研究难点。


      这其实是一个概率问题。比如一辆进口电动车使用的进口电池声称事故概率只有千万分之一,但一辆车需要8000块这样的电池,相当于1000万块电池可以装1250辆电动车。也就是说,理论上1250辆电动车中有一辆的电池可能会发生事故。如果这次事故属于电池燃烧或爆炸级别,可能会引起周围电池的连锁反应,进而引发电动车燃烧的大事故。


      储能电站的事故也是如此。与一辆能储存50 ~ 100 kWh左右电量的电动车相比,一个储能电池的箱体一般能储存1000 kWh的电量,一个中大型储能电站往往就是几十个这样的储能电池容器的集合。可以想象,在电池使用量如此之大的情况下,偶尔发生事故也是正常的。另一方面,电动车和储能电站燃烧爆炸事故的后果明显比手机电池严重得多,目前的消防措施几乎无能为力。当然,我们不能忽视这个新闻传播如此迅速和广泛的时代。那些有时会造成人员伤亡的严重事件,更容易造成更大的社会影响。


      为什么锂离子电池会燃烧甚至爆炸?


      锂离子电池是一种含能元件,主要由正极、负极、电解液和隔膜组成。充电后,其正极一般为过渡金属氧化物,具有较强的氧化性;负极为石墨,内部嵌有大量锂,还原性强。电解液一般为有机酯,具有熔点低、易燃的特点。


      需要注意的是,鞭炮在我们的生活中也是一种充满活力的装置。很多人都知道鞭炮中含有的火药成分是硫磺(硫磺,化学式S)二硝酸酯(石头,化学式KNO3)三木炭,其中硝石是强氧化剂,硫磺和木炭都是还原剂。当外界给予120度以上的刺激时,鞭炮中的氧化还原反应剧烈发生,释放出大量的气体和热量,火药燃烧,鞭炮爆炸。


      可以看出,从理论上讲,锂离子电池可能会发生高度放热的氧化还原反应,而锂离子电池中所含的可燃电解液也会促进这一反应,导致燃烧甚至爆炸的后果。锂离子电池燃烧或爆炸的威力有多大?从储存电能的角度来看,能量密度为150Wh/kg的普通锂离子电池的电能约为TNT炸药爆炸热能密度的1/10。近年来的研究已经确凿地证明,锂离子电池事故的正负极在特殊情况下可以直接发生剧烈的氧化还原反应,甚至铝、铜集流体也可以以还原剂的形式直接参与反应,产生的热量明显高于电池蓄电所对应的能量。一般来说,密闭空间内的锂离子电池发生安全事故时,其最高温度可达800以上,而43.4克锂离子电池的爆炸热相当于5.45gTNT,是TNT当量的1/8。


      然而,锂离子电池之所以能够通过电化学反应而不是剧烈的氧化还原反应可控地、连续地将其内部化学能转化为电能,是因为隔膜有效地将阳极和阴极物理分离,并隔离了电子传导(以及离子传导电解质的存在)。但是,当各种内部或外部原因导致隔膜失效,然后阳极和阴极直接接触时,这种内部短路会导致电能瞬间释放,产生大量热量和高温,瞬间破坏电池内部化学体系的稳定性,导致阳极电解液、正极电解液、阳极和正极,甚至集流体之间发生氧化还原反应。瞬间放热升温,导致电解液瞬间气化,然后混合正负活性物质的粉末从电池外壳喷出,带来燃烧甚至爆炸的恶果,这就是所谓的热失控(简称TR)。


      根据近几年电动车事故现场的统计,大多数事故都是由“自燃”引起的,包括静止时(电池未充放电)、行驶时(电池已放电)和充电时。当外部热源、碰撞和控制电路故障时,会发生少量事故。


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