了解锂电池热失控：原因及预防

锂电池热失控是一种重要的故障模式，其中锂离子电池由于自我维持的放热响应而变得无法控制的过热。这种情况通常是由于内部短路、机械损坏、过度充电或暴露在过高温度下造成的，从而损害了电池的结构和化学完整性。

当电池内产生的热量超过其消散热量的潜力时，就会引发热失控。这种不平衡经常引发不利的化学反应并升高温度。随着温度升高，加热技术的充电速度加快，周期性地导致暴力后果，包括火灾或爆炸。

锂电池热失控的原因

热失控的主要目的之一是内部短路。这可能是由于机械损坏造成的，其中包括刺穿或挤压，这会破坏阳极和阴极之间的隔膜。制造缺陷，例如电池组件未对准或污染，也可能导致短路。一旦发生短路，就会产生热量，如果热量足以引发电池物质内的放热反应，就会发生热失控。

另一个重要因素是过度充电。将锂电池充电超过其电压限制可能会导致阳极上过度镀锂，形成枝晶，刺穿隔膜并形成短路。此外，过度充电会导致电解质和其他材料的分解，同样会增加内部温度和热失控的机会。

过多的外部热暴露是另一个外部原因。在高温环境下工作或保存的锂电池更容易受到热失控的影响，因为温度升高会降解电解质和其他内部物质，从而降低电池的热稳定性。

总之，导致锂电池热失控普遍存在的因素有很多，包括内部短路、过度充电、外部温度过高、老化以及固有的设计缺陷。认识并解决这些因素对于阻止此类事件和提高锂电池使用的安全性至关重要。

热失控的预防策略

一项基本策略是对用于制造锂电池的精细物质进行修饰，选择能够承受更高温度和应力的一流电极和电解质材料可以防止导致热失控的内部击穿。此外，将分离器与逐步热平衡结合起来可以成为防止手机内快速电路的重要屏障。

其他所有关键安全措施都是实施先进的电池控制结构 (BMS)。这些系统旨在监视和控制电池状况，包括电压、电流和温度。通过设置特定的操作阈值并强制执行实时跟踪，BMS 可以检测到故障的早期迹象并引发纠正措施，包括断开电池连接或降低充电率以减轻危险。

热控制结构在阻止热失控方面也发挥着至关重要的作用。有效的冷却机制，包括空气或液体冷却系统，即使在高负载条件下也有助于保持最佳的电池温度。这在电动机等高功率应用中尤其重要，其中电池要承受严重的操作压力。

电池应存放在远离阳光直射和高温环境的地方，并且必须使用兼容且获得许可的充电器进行充电。此外，必须严格避免对电池造成的人身伤害，这可能是内部短路的先兆。

这些策略不再补充锂电池的安全性和可靠性，而是延长其使用寿命和性能。不断改进并遵守可接受的电池布局和处理实践对于阻止热失控和保护电池供电的设备至关重要。

新技术可早期预警锂电池热失控

记者7日从中国科学技术大学了解到，该校火灾科学国家重点实验室孙金华教授和王青松研究员团队与暨南大学郭团教授团队合作，成功研制出可植入电池内部的高精度、多模态集成光纤器，在国际上率先实现了对商业化锂电池热失控全过程的精准分析与早期预警。相关研究成果日前在线发表于《自然·通讯》。

电池热失控是制约电动汽车与新型储能规模化发展的瓶颈。导致电池热失控的根源是电池内部一系列复杂且相互关联的“链式副反应”，从局部短路到大面积短路，电池内部温度快速提升，可高达800℃以上，引发电池起火爆炸。因此，亟须深入理解锂离子电池热失控演变机制，并提出早期预警策略，以防止爆炸事故的发生。而溯源电池热失控发生的内在诱因，厘清各分步反应之间的耦联关系，揭示热失控主导机制与动力学规律，前移热失控预警时间窗口，是从根本上解决储能安全问题的核心。

然而，由于电池的密闭结构和内部复杂的反应机制，电池内部核心状态参量检测的准确性和实时性无法保证。如何科学、及时、准确地预判电池安全隐患，成为当前一个国际性科学难题。

为此，该团队开发了一种可植入电池内部的多模态集成光纤原位监测技术，设计并成功研制出可在1000℃高温高压环境下正常工作的多模态集成光纤传感器，实现了对电池热失控全过程内部温度和压力的同步精准测量，攻克了热失控极端环境下温度与压力信号相互串扰的难题，提出了解耦电池产热和气压变化速率的新方法，首次发现了触发电池热失控链式反应的特征拐点与共性规律，实现了对电池内部微观“不可逆反应”的精准判别，为快速切断电池热失控链式反应、保障电池在安全区间运行提供了重要手段。

研究人员表示，未来可以实现一根光纤在电池的多个位置同时监测温度、压力、折射率、气体组分和离子浓度等多种关键参数。光纤传感技术与电池的结合将会在新能源汽车、储能电站安全检测等领域发挥重要作用。

作者：吴长锋

来源： 科技日报

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