动力电池热失控原理及危害

引起动力电池锂电池热失控的因素主要有外部短路、外部高温和内部短路。

◎内部短路：由于电池的滥用，如过充过放导致的支晶、电池生产过程中的杂志灰尘等，将恶化生成刺穿隔膜，产生微短路，电能量的释放导致温升，温升带来的材料化学反应又扩大了短路路径，形成了更大的短路电流，这种互相累积的互相增强的破坏，导致热失控。下面以钴酸锂电芯为例，简述一个典型热失控过程。

A：准备阶段，电池处于满电状态；

B：内短路发生，大电流通过短路点而产生热量，并通过LiC6热扩散，达到SEI膜分解温度，SEI膜开始分解，放出少量CO2和C2H4,壳体轻微鼓胀，随着短路位置的不断放电，电池温度的不断上升，电液中链状溶剂开始分散，LiC6与电液也开始反应放热，伴随着C2H5F\C3H6\C3H8产生，但反应较慢，放热量较小；

C:随着放电的进行，短路位置温度继续升高，隔膜局部收缩融化，短路位置扩大，温度进一步升高，当内部温度达到Li0.5Co02的分解温度时，正极瞬间分解，并释放O2,后者于电液瞬间反应放出大量热量，同时放出大量CO2气体，造成电池内压增大，如果压力足够大，冲破电池壳体，引起电池爆炸；

D:如果壳体炸开，极片散落，温度不会继续升高，反应终止；但如果壳体只开裂，极片没有散落，这时LiC6继续与电液反应，温度会继续升高，但升温速率下降，由于反应速率较慢，所以可以维持较长时间；

E:当电池内部反应的产热速率小于散热速率时，电池开始降温，直至内部反应完毕；

◎外部短路：实际车辆运行中发生危险的概率很低，一是整车系统装配有熔断丝和电池管理系统BMS，二是电池能承受短时间的大电流冲击。极限情况下，短路点越过整车熔断器，同时BMS失效，较长时间的外部短路一般会导致电路中的连接薄弱点烧毁，很少导致电池发生热失控事件。现在，比较多的PACK企业采用了回路中加熔断丝的做法，更能有效的避免外短路引发的危害。

◎外部高温：由于锂电池结构的特性，高温下SEI膜、电解液、EC等会发生分解反应，电解液的分解物还会与正极、负极发生反应，电芯隔膜将融化分解，多种反应导致大量热量产生。隔膜融化导致内部短路，电能量的释放又增大了热量的生产。这种累计的互相增强的破坏作用，其后果是导致电芯防爆膜破裂，电解液喷出，发生燃烧起火。

注意的是，三元系电池相比磷酸铁锂电池，正极材料容易发生分解反应，从而释氧更加快速的发生热失控。以钴酸锂为例，达到一定温度时，正极瞬时分解释氧，导致快速发生热失控，极易燃烧。

LiPF6很不稳定，在加热或较高温度下就会分解，而PF5是呈强Lewis酸的高活性物质，其能使碳酸脂类溶剂热稳定性降低，并与之反应，在分解的气体产物中，CH3CH2F是该反应的特征产物。

结论：O2与熔剂发生氧化反应是大量气体的重要来源，同时也是热量的重要来源。

磷酸铁锂的橄榄石结构带来的是高温稳定性。在热失控的化学反应中，在电解液喷出前大量发生的是分解反应，而非氧化反应，产生气体较少而且慢，这正是磷酸铁锂相对安全的原理。磷酸铁锂相对安全，但并不意味着磷酸铁锂不发生热失控，不发生燃烧，近期的电动客车燃烧事故充分证明了这点。磷酸铁锂燃烧的主要原因是，热失控导致防爆膜破裂，继而电解液喷出，在此时高温的环境中，快速达到电解液的燃点，电解液燃烧，继而引燃电芯包裹材料等其他可燃物，进而加剧热量的散发，导致其他电芯发生热失控连锁反应。锰酸锂的尖晶石结构具有同样的稳定性，也属于相对安全的正极材料。