近期突发，锂电池热失控致4人烧伤！到底什么是热失控？

不久前的一个凌晨，上海杨浦区铁岭路一居民楼发生一起火灾，致4人不同程度烧伤。经调查，起火原因系该楼居民孙某某违反规定，将电动自行车停放在1楼楼道内，电动自行车锂离子蓄电池热失控引发。

什么是锂电池热失控？

锂离子电池热失控是指多种因素引发的连锁反应，产生热量，使锂离子电池热失控温度升高到千摄氏度以上，使锂电池剧烈点燃，在电池内部放出大量热量和有害气体。因此，当锂离子电池发生热失控时，整个电池组释放的能量是惊人的。一个由100个电池组成、充电容量为100Ah的电池组，其失控能量为240,000,000J，相当于57公斤TNT。尽管科学家和工程师不断改进设计、增强算法，进而有效提高汽车锂离子电池组的安全性，但在现实生活中我们还是会时不时听到一些电动汽车、手机起火的情况。

造成电池热失控的原因是什么？

过度充电：电池本身有过充保护，但如果这个过充保护失灵，电池继续充电，就会导致过充，引发热失控。随着电池使用时间的推移，老化变得更加严重，电池组的一致性变差。此时，如果电池过度充电，则极易出现热安全问题。因此，有必要始终请遵循安全充电说明。

过热：当电池进行高速放电或遇到极端条件时，电池内部温度逐渐升高。当电池内积聚大量热量时，如果不及时限制放电电流，可能会导致锂电池热失控。

机械：冲击、内部短路和其他损坏电池组的行为可能会导致热失控。

锂电池热失控发生过程

热失控分为三个阶段：自加热阶段（50℃-140℃）、失控阶段（140℃-850℃）和终止阶段（850℃-室温）。一些文献表明，隔膜的大量熔化温度在 140°C 左右开始。

自加热阶段，也称为热量积累阶段，从SEI膜的溶解开始。当温度达到 90°C 左右时，SEI 膜的溶解变得明显。 SEI膜的溶解使负极和负极内嵌锂的碳成分暴露在电解液中，引发放热反应，从而升高温度。相反，温度升高会加速SEI膜的进一步分解。如果没有外部冷却机制，这个过程将持续到SEI膜完全分解。

在失控阶段，一旦温度超过140℃，正负极电极材料参与电化学反应，由于反应物质量增加而导致温度更快升高。在短时间内，激烈的反应会产生大量的气体和热量。热量进一步加热气体，使电池外壳膨胀并破裂，导致材料喷射等现象。失控达到最激烈的状态，在此阶段达到最高温度。如果附近有其他电池，热失控可能会通过将热量传递到周围环境而蔓延到它们。热量可能传导至导电部件或体积膨胀。最初间隔开的电池现在可以直接接触，从而促进电池外壳之间的热传递。

在终止阶段，一旦发生热失控，只有当所有反应物消耗完后才能终止。消防部门的一份报告表明，对于锂电池等含有高能物质的封闭式设备，消防方法无法立即阻止正在发生的热失控。灭火剂无法有效到达反应物质。在这种情况下，消防员面临着很高的风险，而可用的措施却有限。一般来说，采取的方法是隔离事故现场。热失控只有在反应物耗尽后才能自然终止。

如何防止锂离子热失控？

一、预防

1、热失控的关键在于正负极材料和电解液的稳定性。未来还需要在正极材料的包覆与改性、均质电解液与电极的兼容性、电芯导热性能的提升等方面取得更高的突破。或者选择安全性高的电解液来起到阻燃的效果。

2、从外部角度实施系统升级和改进。

· PTC（正温度系数） 设备：在锂离子电池中安装PTC器件要考虑内部压力和温度。当电池因过充而温度升高时，电池内阻迅速增大以限制电流，从而将正负极间电压降低至安全水平，实现对电池的自动保护。

· 防爆阀门：当电池内压异常时，防爆阀变形，切断电池内部用于连接的引线，从而停止充电。

· 强化冷却方式：热管理系统对于控制温度并确保电池在合理的温度下运行至关重要。通常，热管理系统由车辆控制器控制。当电池组温度异常时，通过空调系统及时冷却或加热，确保电池安全和寿命。

· 隔热泡棉：宝益CR泡棉在动力电池包中可以提供隔热、缓冲、阻燃、密封、支撑，减震等功能，并且能够在电池包的多个区域位置中使用，包括电芯与电芯之间、软包电池极耳与极耳之间、水冷板与箱体之间、模组与模组之间、标准箱、PACK包，能够有效预防热失控的发生。

专为热稳定性而设计，宝益高导热硅胶片自黏性强，高电气绝缘，填充性能极佳，可加玻纤抗撕裂，低压缩力下有良好导热性能。它的导热系数在1.2-9.0W/m.K之间，可弥散分布于不平整表面, 不变形，在-40℃~150℃可以稳定工作，满足UL94V0的阻燃等级。

灭菌监测

1. 早中期监测

· 实时热失控预警技术BMS

目前，最容易实现的解决方案是使用BMS来监控温度、电压和其他运行参数，以检测热失控的早期迹象。为了提高其故障检测能力，可以使用或开发更高精度和可靠性的温度传感器和电压传感器。同时，可以通过算法构建更准确、更有效的状态参数估计模型，以更早地发现误操作和异常情况。人工智能可以在这个过程中发挥一定的作用。但BMS解决方案也存在问题：外部参数监测无法提供完整准确的模拟，也无法准确反映内部电化学变化，使得现代BMS无法全面评估电芯潜在的热失控风险。

· 基于内部状态预测的热失控预警技术

由于从外部很难完全控制，因此从内部开始，目前的研究方向包括使用嵌入式可折叠布拉格光纤传感器或电化学阻抗分析仪频率响应分析来实时检测内部电池温度和阻抗。但由于成本和技术问题，这些仍处于实验室阶段，无法应用于实际生产。

· 基于气体检测的热失控预警技术

在锂离子电池热失控的早期，由于电池温度、放电电压、放电电流等特征识别参数的变化非常缓慢，普通BMS无法及早发现电池故障。此时，由于电池内部的电化学反应，会产生大量气体。因此，利用气体检测传感器实现锂离子电池热失控预警是可行的。目前，已有一些企业开发出了气体检测与消防相结合的相关产品。

2. 后期监控

当电池隔膜开始大量溶解，导致电池内部大面积短路时，由于正负极之间的大量短路，在此阶段会出现电压骤降。此时，热失控是完全不可控的。

在此过程中会出现可检测的电气参数，即电池组端电压。目前的BMS系统只能准确采集每个串联模块（每个模块包含多个并联电池）的电压数据。这种现象使得管理系统能够检测到电池单元中的故障。

但随着时间的推移检测到电压下降，已经是不可逆的热失控时刻。冷却措施的触发信号失去了意义。

锂电池组一旦发生热失控，就如同射出的箭无法收回，因此我们需要做的就是在产品设计和实施过程中考虑预防热失控的策略、材料和解决方案，比如宝益CR泡棉和高导热硅胶垫。事实上，热失控发生得极其迅速，可以在短时间内造成毁灭性的损害。因此，必须预防或抑制热失控的危害。