鋰離子電池的安全性問題，其內(nèi)在原因是電池內(nèi)部發(fā)生了熱失控，熱量不斷的累積，造成電池內(nèi)部溫度持續(xù)上升，其外在的表現(xiàn)是燃燒、爆炸等劇烈的能量釋放現(xiàn)象。

電池是能量的高密度載體，本質(zhì)上就存在不安全因素，能量密度越高的物體，其能量劇烈釋放時的影響就越大，安全問題也越突出。汽油、天然氣、乙炔等高能量載體，也都存在同樣的問題，每年發(fā)生的安全事故，數(shù)不勝數(shù)。

不同的電化學體系、不同的容量、工藝參數(shù)、使用環(huán)境、使用程度等，都對鋰離子電池的安全性有較大的影響。

由于電池存儲能量，在能量釋放的過程中，當電池熱量出現(xiàn)和累積速度大于散熱速度時，電池內(nèi)部溫度就會持續(xù)升高。鋰離子電池由高活性的正極材料和有機電解液組成，在受熱條件下非常容易發(fā)生劇烈的化學副反應，這種反應將出現(xiàn)大量的熱，甚至導致的熱失控，是引發(fā)電池發(fā)生危險事故的重要原因。

鋰離子電池內(nèi)部的熱失控，說明電池內(nèi)部的一些化學反應已經(jīng)不是我們此前所期待的可控和有序，而是呈現(xiàn)出不可控和無序的狀態(tài)，導致能量的快速劇烈釋放。

那么，我們來看看，都有什么化學反應，會伴隨大量的熱出現(xiàn)，進而導致熱失控。

1.SEI膜分解，電解液放熱副反應

固態(tài)電解質(zhì)膜實在鋰離子電池初次循環(huán)過程中形成，我們既不希望SEI膜太厚，也不希望它完全不存在。合理的SEI膜存在，能夠保護負極活性物質(zhì)，不跟電解液發(fā)生反應。

可是當電池內(nèi)部溫度達到130℃左右時，SEI膜就會分解，導致負極完全裸露，電解液在電極表面大量分解放熱，導致電池內(nèi)部溫度迅速升高。

這是鋰離子電池內(nèi)部第一個放熱副反應，也是一連串熱失控問題的起點。

2.電解質(zhì)的熱分解

由于電解質(zhì)在負極的放熱副反應，電池內(nèi)部溫度不斷升高，進而導致電解質(zhì)內(nèi)的LiPF6和溶劑進一步發(fā)生熱分解。

這個副反應發(fā)生的溫度范圍大致在130℃~250℃之間，同樣伴隨著大量的熱出現(xiàn)，進一步推高電池內(nèi)部的溫度。

3.正極材料的熱分解

隨著電池內(nèi)部溫度的進一步上升，正極的活性物質(zhì)發(fā)生分解，這一反應一般發(fā)生在180℃~500℃之間，并伴隨大量的熱和氧氣出現(xiàn)。

不同的正極材料，其活性物質(zhì)分解所出現(xiàn)的熱量是不同的，所釋放的氧氣含量也有所不同。磷酸鐵鋰正極材料由于分解時出現(xiàn)的熱量較少，因而在所有的正極材料中，熱穩(wěn)定性最為突出。鎳鈷錳三元材料分解時則會出現(xiàn)較多的熱量，同時伴有大量的氧氣釋放，容易出現(xiàn)燃燒或爆炸，因此安全性相對較低。

4.粘結(jié)劑與負極高活性物質(zhì)的反應

負極活性物質(zhì)LixC6與PVDF粘結(jié)劑的反應溫度約從240℃開始，峰值出現(xiàn)在290℃，反應放熱可達1500J/g。

由以上分析可以看出，鋰離子電池的熱失控，并不是瞬間完成的，而是一個漸進的過程。這個過程，一般由過充、大倍率充放電、內(nèi)短路、外短路、振動、碰撞、跌落、沖擊等原因，導致電池內(nèi)部短時間內(nèi)出現(xiàn)大量的熱，并不斷的累積，推動電池的溫度不斷上升。

一旦溫度上升到內(nèi)部連鎖反應的門檻溫度（約130℃），鋰離子電池內(nèi)部將會自發(fā)的出現(xiàn)一系列的放熱副反應，并進一步加劇電池內(nèi)部的熱量累積和溫度上升趨勢，這一過程還會析出大量的可燃性氣體。當溫度上升到內(nèi)部溶劑和可燃性氣體的閃點、燃點時，將會導致燃燒和爆炸等安全事故。

剛出廠的鋰離子電池通過安全測試認證，并不代表鋰離子電池在生命周期中的安全性。根據(jù)我們前面的分析，在長期的使用過程中，會發(fā)生負極表面的鋰金屬沉積，電解液的分解和揮發(fā)，正負極活性物質(zhì)的脫落，電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形，材料中混入金屬雜質(zhì)，以及其他很多非預期的變化，這些都會導致電池發(fā)生內(nèi)短路，進而出現(xiàn)大量的熱量。再加上外部的各種濫用情況，如過充、擠壓、金屬穿刺、碰撞、跌落、沖擊等，也會導致電池在短時間內(nèi)出現(xiàn)大量的熱量，成為熱失控的誘因。

在鋰離子電池的使用過程中，沒有絕對的安全性，只有相對的安全性。我們要盡量防止濫用的情況出現(xiàn)，降低危害事件發(fā)生的概率，同時也要從正負極材料、電解液、隔離膜等重要成分入手，選擇化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性優(yōu)良的材料，具有良好的阻燃特性，在出現(xiàn)內(nèi)外部熱失控的誘因時，降低內(nèi)部副反應的發(fā)熱量，或者具有很高的燃點溫度，防止熱失控現(xiàn)象的發(fā)生。在電池結(jié)構(gòu)和殼體設計上面，要充分考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，達到足夠的機械強度，能夠耐受外部的應力，確保內(nèi)部不發(fā)生明顯的變形。此外，散熱性能也是要著重考慮的，假如熱量能夠及時的散發(fā)出去，內(nèi)部的溫度就不會持續(xù)上升，熱失控也就不會發(fā)生。

鋰離子電池的安全性設計，是系統(tǒng)論，單純的以正極材料分解發(fā)熱來衡量鋰離子電池安全性并不全面。從系統(tǒng)的角度講，磷酸鐵鋰離子電池不見得一定比三元材料的電池更安全，因為最終影響熱失控的因素很多，正極材料分解所出現(xiàn)的熱量僅僅是其中的一個因素。

九、總結(jié)與展望

大約在135億年前，經(jīng)過所謂的大爆炸之后，宇宙中的物質(zhì)、能量、時間和空間形成了現(xiàn)在的樣子。宇宙的這些基本特點，就成了物理學。

在這之后過了大約30萬年，物質(zhì)和能量開始形成復雜的結(jié)構(gòu)，稱為原子，再進一步構(gòu)成分子。至于這些原子和分子的故事以及它們?nèi)绾位?，就成了化學。

所有有關電池的原理，都得通過物理學和化學的理論來闡述，并受到客觀規(guī)律的制約，脫離了這個范疇，我們既不可能發(fā)明電池，也不可能正確使用電池。

人類對電池的研究和使用已經(jīng)有近200年的歷史，在大規(guī)模的商業(yè)化應用方面，鉛酸電池、堿性電池、鋅錳電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池早已滲透到人類社會的方方面面，在支持工業(yè)化社會的正常運作方面，起著無可替代的用途。

人類對能量進行移動存儲的追求，隨著經(jīng)濟規(guī)模的擴大，呈現(xiàn)快速上升的趨勢，這也在客觀上推動了電池技術的發(fā)展和變革，要做到更快、更強、更長壽、更安全、更環(huán)保，同時單位價格還要更便宜。

自SONY在90年代將鋰離子電池商業(yè)化以來，經(jīng)過20多年的發(fā)展，現(xiàn)有的電化學體系已經(jīng)逐步接近了瓶頸，未來將逐步進入后鋰離子電池時代。市場的強勁需求，必將推動和催生新的材料、新的化學體系、新的工藝在電池領域的應用，從而實現(xiàn)大的突破。

在電池產(chǎn)業(yè)，新的研究方向?qū)映霾桓F，而比較有希望商業(yè)化的方向，比如全固態(tài)鋰離子電池、鈉離子電池、鋰-硫電池、鋰空氣電池等。后鋰離子電池時代，將會是百花齊放、百家爭鳴的局面，市場需求的多樣性，技術路線的多樣性，再結(jié)合原料供應的地緣因素，將給我們帶來更多的選擇和更好的體驗。