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鋰電池自燃的原因

鉅大LARGE  |  點擊量:6347次  |  2018年06月03日  

摘要

  自燃原理

  鋰是世界上最活潑的金屬。鋰離子電池體積小容量密度高,高能量密度的特性讓其成為電動汽車的首選。鋰離子電池在工作中是利用鋰離子得失電子和遷移聚集來實現電能的儲存的。

  在電池充電時,正極里的鋰原子會喪失電子成為鋰離子,產生電勢差。電解介質中的鋰離子在電勢差的作用下,向負極遷移聚集。放電時,整個程序倒過來。整個工作過程是由電極內的鋰金屬得失和電解液中的電子、鋰離子的遷移來共同完成的。

  然而,鋰的化學特性太活潑。鋰金屬暴露在空氣中,會與氧氣產生激烈的氧化反應,從而產生燃燒、爆炸。

  因此,在鋰電池的實際應用中,科學家們千方百計地防止電解液中的鋰離子向鋰金屬轉化,并把金屬鋰鎖在石墨或鋰化合物中,人們常常聽說的,磷酸鐵鋰、鈷酸鋰就是儲存鋰原子的材料。

  動力電池安全問題:電動汽車鋰電池不會輕易自燃

  同時,為了防止空氣進入電池內部,還采取了一系列的防護措施。這使得鋰金屬不會與氧氣接觸而發生爆炸。

  在使用中,鋰電池之所以會發生自燃,就是由于防護措施不到位或產生了嚴重的外力破壞,導致防護失效,而使得金屬鋰與空氣接觸所造成的。

  常見的防護措施

  外殼防護,為了防止空氣進入,鋰電池都被封裝在密閉容器沖,并為了防止外力破壞通常配以不銹鋼外殼和鋁合金外殼。例如,特斯拉的電動汽車,甚至采用了鈦合金防護板,以防止汽車使用中,尤其是交通事故中對電池容器的損傷。

  隔膜阻斷保護,在防止外力破壞的同時,還要防止來自電池內部產生的破壞。

  通常為了防止電池的正負極直接碰觸而短路,電池內會有一層隔膜,一方面將正負極隔開,一方面又允許帶電離子通過。

  然而,在鋰電池中,隔膜還承擔著另一項防護職能。在電池溫度過高時,隔膜空隙會自動關閉,讓鋰離子無法穿越,從而終止整個電池的反應。從而防止了電池由于溫度過高,使得其中的電解液氣化產生高壓,破壞電池密封結構的問題。

  過充電壓防護,不僅空氣要被阻隔在外,還要防止金屬鋰從電極中外泄。

  科學家們通過電極材料的納米空隙和材料晶格機制,來存放和鎖住在充放電中形成的金屬鋰。

  這樣一來,即使是電池外殼破裂,氧氣進入,也會因氧分子太大進不了這些細小的儲存格,而避免自燃的產生。

  然而,用過高的電壓或充滿后繼續過長時間的充電,會對鋰電池產生十分危險的損害。

  鋰電池充電電壓在高于額定電壓(一般是4.2V)后,如果繼續充電,由于負極的儲存格已經裝滿了鋰原子,后續的鋰離子會堆積于負極材料表面。這些鋰離子由于極化作用,會形成電子轉移,形成金屬鋰,并由負極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結晶。

  這些沒有電極防護的金屬鋰一方面極為活潑,容易發生氧化反應而發生爆炸。另一方面,形成的金屬鋰結晶會穿破隔膜,使正負極短路,從而引發短路,產生高溫。在高溫下,電解液等材料會裂解產生氣體,使得電池外殼或壓力閥鼓漲破裂,讓氧氣進入,并與堆積在負極表面的鋰原子反應,進而發生爆炸。

  鋰電池充電時,一定要設定電壓上限和過充保護。在正規電池廠家出產的鋰電池中,都裝有這樣的保護電路。當電壓超標或電量充滿時自動斷電。

  其實自燃并不容易

  在品質合格的外殼、隔膜、電路重重防護下,鋰電池發生自燃其實絕非易事。

  尤其在無機材料鋰電池中,例如,磷酸鐵鋰電池,由于電池不像三元鋰電池中采用了有機材料,即使電池內部發生了材料破壞和短路,產生的高溫也不會使得無機材料分解而產生高壓氣體,進而爆炸自燃。在實驗中,合格的磷酸鐵鋰電池即使被投入柴火中(柴火溫度低于600℃),也不會發生爆炸和自然的情況。

  同時,與新能源汽車發展前期廠家對車輛實際使用中防護措施認識不到位的情形相比,目前,經過數十年的摸索和全球百萬輛新能源汽車的實際使用,從電池廠家到汽車廠商已經積累了足夠的經驗。

  鋰電池的外殼防護強度得到大大加強,即使在整車解體這樣的嚴重交通事故情況下,電池的防護依然可以有效。

  在電池隔膜的選用中,廠家也充分意識到采用帶自保護功能隔膜的重要性。目前,一般優質的鋰電池產品都已經使用了這種技術。而對于防過充電子保護裝置的應用,則早已成為了國家強制的標準。合格的電子保護裝置和成熟的電池組管理系統,已經使得新能源汽車鋰電池發生自燃的幾率大大降低。

  以目前導致新能源汽車發生自燃的案例來看,沒有一個是由于正常行駛狀況下電池組自燃爆炸造成的。更多的新能源汽車鋰電池的爆炸自燃來自于極為嚴重的交通事故和車內電器設備的不當改裝。在近千度的高溫炙烤靠下,鋰電池才最終被引燃。

  對于消費者來講,新能源汽車的鋰電池總體是十分安全的。但是,需要防范的是,在產業大爆發的情況下,個別廠家粗制濫造和產品價格戰帶來對電池防護的忽視,以及對于電動汽車的非法改裝所帶來的隱患。

  【電動車時代網短評】電池自然和爆炸對于新能源汽車來說,人們總會是認為,開著新能源汽車就好像攜帶者一個定時炸彈的感覺,影響了新能源汽車的推廣和發展。其實鋰電自然不是那么可怕。

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