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锂电池短路是造成起火爆燃重要原因

作者:陈曦 来源:科技日报 发布时间:2021-07-23 浏览:

7月21日,杭州市消防救援支队调查组通过调查取证,初步判断“7·18”电动车起火原因与其锂电池故障有关。

不久前的5月10日,成都一小区的电梯内,电动车突然起火,导致多人受伤。

短时间内多起电动车起火爆燃事故,是什么让锂电池变成了我们身边的“隐形炸弹”?爆燃的锂电池威力为何如此巨大,瞬间就能燃起熊熊大火,让人连自救的机会都没有?

为此,科技日报记者请到天津大学化工学院的张生教授进行解答。

锂电池热失控就像多米诺骨牌

张生介绍,锂电池以能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、自放电率低和对环境无污染等优点,得以被快速地推广使用。

目前,锂电池大致可分为两类:锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂,并且可以充电。而锂金属电池由于其自身的高技术要求限制,只有少数几个国家的公司在生产。

锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。“但是由于锂电池的热不稳定性,锂电池的安全问题也逐渐引起重视。”张生表示,轻则造成漏液,电池体内温度上升,保护层逐渐毁坏,致腐蚀性电解液发生泄漏。更进一步,造成自燃,锂电池短路时产生的火花会在瞬间点燃电解液,并引燃塑料机身。

“更严重的会引发起火爆燃。而且之所以会在短时间内燃起熊熊大火,是因为锂电池火灾爆燃是一系列的连锁反应。电池热失控就像多米诺效应,产生越来越多的热量,最终引发起火爆燃。”张生强调,锂电池中同时含有加压的环境下易燃的电解质,提高了锂电池发生爆燃事故的可能性。

锂电池短路是造成起火爆燃重要原因

张生介绍,锂电池发生起火爆燃的原因主要包括过充、短路、受热等。

过充:当使用非原装充电器,或者充电器运行不正常的情况下,对电池进行充电可能会导致电池的温度上升。

在锂电池充电初期,由于电池具有一定的电阻,则电流通过电阻时会产生一定的热量,此时电池表面会出现缓慢的升温现象。当电池充满电后,原本锂离子在电池内一直以离子形式游离在正负极之间,但因为电池充满电,负极已无法被继续填入。

“但由于此时的负极可能具有较高的嵌锂能力,那么锂离子会继续从正极析出并以单质的形式在负极表面沉积,金属锂由于具有较高的金属活性此时会与溶剂反应,导致嵌锂碳也与溶剂发生放热反应。”张生介绍,由于该反应产生的大量热量,将导致热失控的发生,随之伴生出更多连锁放热反应,电压和温度的迅速升高,使电池发生着火和爆炸。

当电池过度充电时,一般电池内都会有一个过充电的保护装置。以手机电池为例,保护装置的原理是在电池内安装一个电压检测的保护电路IC。

“如果保护电路IC没有失效,那么在一般过充情况下,电池由于充电产生的热在正常环境下可以自然散去,过充仅仅会使电解液分解,那么电池依然安全。”张生表示,但是如果电池在非正常充电条件下过充,比如使用了高倍率的充电器进行充电,或者充电时外部环境温度较高影响电池的散热,或者电池本身的设计使得电池的散热缓慢的条件下,由于过充的升温和热量无法散去的双重条件下,隔膜逐渐被融化。一旦隔膜融化,电池内部就会发生短路,此时电芯会急剧放电,温度快速升高,引发电池的材料被点燃,最后发生爆燃。

电解液在过充的条件下会发生气化,此时电池的内压会逐渐增加,因此锂电池在设计的时候为了防止内压过高发生鼓胀,会在外壳上安装泄压装置,用于进行内压的调节。而当泄压装置失效时,由于过充电池将发生鼓胀甚至导致电池芯损坏,损坏后的电池芯会产生一系列的放热反应引起爆燃事故。

此外,在实际应用下,由于设计、管理、工艺等多种原因都可能导致保护的IC失效,此时电池会继续充电。

短路:在电池出现短路故障的时候会导致电池稳定性备受影响,同时会释放出很多气体。这样的情况会让电池出现热失控,在较短时间集聚很多热能,致使产生起火爆燃事故。

“电池短路一般可以分为外部短路和内部短路。”张生介绍,正常情况下,电池内部由于工作或充电,温度会越来越高,但是由于电池自身有散热,且电池中有SEI膜,因此当温度升高到较高温度时,SEI膜会把细孔关闭。电池内的电化学反应则会终止,电池的温度也会缓缓下降。但是如果电池受到针刺、撞击等外部冲击导致SEI膜被击穿,电池则会发生短路。

“一旦电池短路,其正极的热分解反应及其他放热反应也会随之发生,使得电池温度快速升高,电解液会被快速汽化,从而因热失控的发生而导致起火爆燃。”张生表示,内部短路主要是因为锂离子的树枝状结晶穿破隔膜所造成,过充是内部短路引发的爆炸的主要原因。使用陶瓷隔膜和负极热阻层等保护涂层可以有效防止电池内部短路。

外部温度因素:电池在高温下,由于热传递,电池内电解液温度升高,电池内的SEI膜由于电解液的高温可能被熔化,SEI膜一旦被熔穿,电池则会发生如上所说的电池短路现象,从而促使放热反应的生成导致电池起火爆燃。

内在因素:产品内在因素包括电池结构的设计、产品质量控制等。电池芯由正极、负极、隔膜和电解液等几部分组成,其材质选择、工艺控制和结构设计,将影响电池的充放电特性。

“更重要的是如果结构设计不合理、材料选择不当或工艺控制不好,在过充电过程中,则容易出现电解液气化、电极短路和电池过热而发生。”张生说,同时,如果生产过程中发生电解液注入量不足、焊接密封性差导致漏气、正负极片壳壁偏厚未达工艺要求、壳壁偏厚或变形、密封性不好导致极片吸水,水分与电解液反应等情况,有可能影响产品的质量从而引发起火爆燃事故。

张生强调,综上所述,引发锂电池爆炸的原因包含多个方面。其中,短路造成起火爆燃的事故占了锂电池故障的很大比例,而隔膜的材料无法从本质上杜绝短路的发生,希望将来的研究能够寻找到更安全的隔膜材料,从而减低锂电池短路故障的发生。

来源:科技日报

原标题:《“7.18”杭州电动车起火元凶找到,锂电池缘何成“隐形炸弹”?》

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关键字:锂电池

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