如何预防锂离子电池灾难

随着电子设备制造商继续抛弃电源线，允许不受限制的移动电源，锂离子 （Li-ion） 电池组的需求空前高涨。随着技术的进步，设备变得越来越耗电，电池制造商正在开发和推出更高容量和更高功率的电池。更高容量的电池组发生故障的可能性和严重程度都会增加，从而导致对确保这些电池组安全性的需求增加。

2000 年，锂离子电池的销售迅速开始取代镍镉和镍氢电池等旧技术，成为首选的可充电电池技术，年销售额贡献了 2 GWh 的存储量。1，2 十九年后，锂离子电池每年增加的存储量超过 120 GWh。2

锂离子电池现在比以往任何时候都需要更高的需求，因为它们提供高能量密度和功率输出。今天的锂离子电池可以达到 700 Wh/L 和 330 Wh/kg。相比之下，大多数车辆中广泛采用的铅酸电池只能达到 110 Wh/L 左右。3

锂离子电池改善了世界各地医疗患者、士兵和消费者的生活。以前受电源线限制的患者现在可以享受改变生活的移动性。一个典型的消费者现在拥有比以往更多的移动电子产品，所有这些都依赖锂离子电池来安全有效地运行。

如果设计和实施得当，锂离子电池组是安全可靠的。4 但是，如果设计或制造不当，这些电池组可能会变得危险。此外，机械滥用会导致电池组中的电池出现凹痕，或者更糟的是，刺破电池组可能会产生不稳定的结果。

锂离子电池具有有机液体电解质，其中含有离子，允许电流通过电池传输。如果电池在设计不佳的电池组中受到机械或电气滥用，并且电池温度升高超过某个点，则电池可能会出现称为热失控的现象。

Medtronic HeartWare HVAD 中的锂离子电池使患者能够过上更加灵活的生活方式。（图片：美敦力）

热失控是锂离子电池的能量自加速退化，通常由电池中的热量吸收引起，从而引发电池内的一系列放热反应。当细胞吸收热量时，它会进一步分解并释放热能，这些热能被重新吸收到恶化的细胞中。3

随着电池加热，液体电解质开始改变相并分解成有机气体燃料。易燃气体充满电池并产生压力。这种压力会导致加压易燃气体、熔融金属的猛烈释放，如果被点燃，还会产生炽热的火焰。单个锂离子电池热失控产生的火焰可达到 1，200°C 以上。5

现在想象一个电池组中有 10、100 或 1，000 个电池，创建安全电池组的重要性就变得清晰起来。热失控电池灾难发生在一个非常公开的舞台上，例如波音 787 梦幻客机上的一个电池组在波士顿洛根国际机场的门口起火，或者三星 Galaxy Note 7 手机因设计原因在美国被禁止上飞机导致一些热失控事件的缺陷。6，7

那么可以做些什么来防止锂离子电池灾难呢？答案是，每家参与锂离子电池生产的公司，无论是电池、电池组还是设备制造商，在开发安全电池技术方面都有独特的责任。价值链中每家公司之间的密切沟通对于创建安全和谐的电池组实施至关重要。

电池制造商有义务在清洁的环境中进行制造，以确保他们制造的每个电池都具有最高质量。即使是电池中的小缺陷也可能导致短路，从而导致不受控制的温度升高。5 反过来，电池组制造商需要设计一种电池组，即使在极端条件下运行或电池发生故障时也能防止热失控。

他们通过在控制电池组的电路上添加多级保护来做到这一点，以防止热失控的主要原因，如过充电、过放电和电池电压不平衡。这种电路还可以识别温度的危险升高并关闭电池组的操作。最后，设备制造商需要按照所有相关制造方的同意设计一个从电池组获取电力的系统。这些贡献者中的任何一个的设计或质量不足都可能导致锂离子电池灾难。

领先的电池组制造商通常采用多达三个级别的保护来防止电池热失控。尽管设计中有这个安全因素，但可以合理地假设在某些情况下，极端事件会导致电池的热失控。例如，几乎不可能防止穿孔电池的热失控。当这种情况发生时，必须防止热失控传播到电池组中的相邻电池。这样做可能会导致重大故障和灾难性电池灾难之间的差异。

简而言之，防止热失控传播的电池组必须防止热量从触发电池传递到周围电池。单电池热失控事件可产生大约 3 MJ 的热能。3 这种能量将以光、火焰、熔融喷射物和加热气体的形式离开电池。所有这些能量都需要以某种方式重新定向或吸收。

设计可防止热失控传播的安全电池组的第一步是在设计阶段执行热传递和流动分析，以预测热事件产生的能量和气体会扩散到哪里。这种分析将使工程师能够识别电池中存在热能吸收风险的关键区域。鉴于此分析，可以创建设计以优化包装的安全性。

在圆柱形电池中，压力和气体通常从电池的正极端释放出来。没有任何障碍或阻塞的单元之间存在直接热路径几乎总是会导致传播。3 因此，最好避免将电池的正端直接朝向负端。然而，这并不是布置单元格时的唯一考虑因素。根据电池设计，在热失控事件期间可能会发生侧面破裂。

核心组电池载体为防止热失控传播提供了重要支持。电池载体可以增加电池组中电池之间的间距，直接从电池的正极端积聚压力，并防止失控的电池移动和碰撞到其他电池。

此外，电池组必须阻止熔融喷射物接触相邻电池并抑制从触发电池排出的气体的燃烧，同时冷却触发电池并从相邻电池释放热量。材料选择对于实现这种额外的安全性至关重要。在某些设计中已经提出了在热失控情况下抑制火灾的膨胀材料，但它们不能单独作为防止热传播的唯一保护措施。研究表明，即使是家用灭火器中的哈龙，也只能在很短的时间内将锂离子电池中的火扑灭，之后电池就会重新点燃。5

除了膨胀材料之外，包括电池和外壳之间的防火材料在内的材料可以帮助防止热传播和因火焰离开电池组而对最终用户造成的伤害。在热失控事件中，熔融的喷射物和火焰会以极快的速度离开电池。包括阻火屏和设计喷射物和火焰的路径将有助于降低火焰和火花离开电池的风险。8

在较大的包装中，采用被动甚至主动热管理技术至关重要。相变材料可以在整个电池组中均匀地吸收和散布热量，从而减少相邻电池上的热量集中。还部署了主动式热交换器以减少电池组区域的热量集中。这些技术也被证明可以延长电池寿命，因为它们在高速放电循环期间减缓了电池的退化。

无论公司为锂离子电池组供电的设备处理价值链的哪个阶段，工程师都有道德义务设计最安全的电池组。偷工减料是不可接受的，防止电池灾难的最佳实践方法应成为采用锂离子电池的设备的行业标准。

锂离子电池的好处很多，这些电池对于许多开发有助于人类进步的设备的企业的成功至关重要。锂离子技术固有的独特安全问题可以由实施创新解决方案的设计工程师控制并尽可能安全，这些解决方案在保证电池安全方面发挥着重要作用。

审核编辑：彭静