◎ 科技日报采访人员 陈曦
7月18日 ， 杭州父女骑电动车在玉皇山路行驶的过程中 ， 电动车突然起火爆燃 ， 车上父女被严重烧伤 。
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电动车突然起火爆燃 。 图源：央视网视频截图
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 ， 科技日报采访人员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 。
【负极|“7.18”杭州电动车起火元凶找到，锂电池缘何成“隐形炸弹”？】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
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