锂离子电池的安全问题：探索故障机制

锂离子电池 锂离子电池为无数设备供电，但其能量密度也带来了固有风险。锂离子电池的安全隐患包括热失控、火灾和爆炸等严重危险。 多因素评估突出关键风险 例如电池膨胀产生的气体以及滥用导致的老化效应。这些故障的原因是什么？又该如何缓解？

第一部分：锂离子电池的常见故障机制

1.1 热失控

热失控是锂离子电池中最危险的故障机制之一。当电池失控过热时，可能导致起火或爆炸。这种现象通常始于化学反应引起的内部发热，并随着温度升高而加速。过度充电、物理损坏或暴露于高温都可能导致此问题。

研究表明，虽然单个锂离子电池事故的后果可能有限，但电池组内部热失控的蔓延可能会加剧事故的严重程度。例如，传热过程在决定失控蔓延方式方面起着关键作用。有效的灭火方法，例如控制热量的产生，可以减轻损害。

电池化学	SOC对天然气产量的影响
NMC	观察到的增加
LFP的	几乎没有相关性
NCA	观察到的增加
LCO	观察到的增加

1.2 机械变形

机械变形会损害锂离子电芯的结构完整性，从而带来潜在危险。当受到压缩或冲击等外力作用时，电池可能会发生内部短路，甚至热失控。准静态压缩试验表明，更高的荷电状态 (SOC) 和更快的加载速度会加剧热失控风险。

学习重点	发现
轴向载荷下的失效模式	通过准静态压缩和动态冲击测试进行调查。
热失控强度	随充电状态 (SOC) 升高而增加 和加载速度。
内部短路	发生在动态冲击后，但未观察到剧烈的热失控。

1.3 过度充电和过度放电

过度充电和过度放电是导致锂离子电池性能下降的关键因素。过度充电会增加短期故障和容量衰减的风险，而过度放电则会导致电池电极受到不可逆的损坏。这两种情况都会损害电池的安全性和性能。

方面	过度充电的影响	过度放电效应
电化学分析	较高的截止电压会导致电池短期失效。即使在较低的截止电压下也会出现明显的容量衰减。	观察到阻抗增加和可逆容量大幅下降。
机械性能	阴极颗粒严重损伤、脱落，模量、硬度明显降低。	正极活性颗粒损伤、脱落，力学性能下降。
安全风险	严重的性能下降会带来不可忽视的安全风险。	性能下降，增加电池安全隐患。
结构变化	阳极表面的过渡金属沉积物和锂镀层会导致容量损失。	阴极的形态变化会导致性能问题。
热稳定性	隔膜的热稳定性明显下降。	注意到分离器性能下降。

1.4 内部短路

当电池电极之间的隔膜失效，导致电极直接接触时，就会发生内部短路。这种故障机制通常由制造缺陷、污染或机械应力造成。一旦发生短路，可能会引发热失控，造成重大危险。

锂库存损失 (LLI)、活性材料损失 (LAM) 和电导率损失 (CL) 是内部短路的常见后果。这些机制会降低电池容量并增加内阻，最终缩短电池寿命。

机制	描述
锂库存损失 (LLI)	由于阴极电解质中间相 (CEI) 膜的生长和电解质的分解而发生，从而捕获锂离子并降低容量。
活性物质损失（LAM）	指因锂沉积、粘结剂分解、结构损坏等原因造成电极中活性质量的损失，从而影响容量。
电导损失（CL）	描述材料传导锂离子和电子的能力下降，导致内阻增加和电池寿命缩短。

第 2 部分：导致锂离子电池故障的关键因素

2.1 材料特性和杂质

锂离子电池所用材料对其性能和安全性至关重要。即使是微观层面的杂质，也会显著增加电池故障的风险。例如，制造过程中引入的金属颗粒可能导致内部短路，从而引发热失控。对于采用超薄隔膜（24微米或更薄）的电池，这一问题尤为突出，因为这些隔膜更容易受到污染。

证据描述	信息
微小金属颗粒	这些可能会导致锂离子电池内部短路，从而引发故障。
制造清洁度	尽管处于洁净室环境中，但由于限制，缺陷仍然会出现。
超薄隔膜	隔膜厚度为 24µm 或更小的电池更容易受到杂质的影响，从而增加热失控风险。

材料降解也会导致电池故障。例如，腐蚀会降低金属部件的有效横截面积，从而削弱其结构完整性。高温会加剧这一问题，造成不可逆转的损坏，并缩短电池的使用寿命。

方面	发现
腐蚀影响	腐蚀降低强度、弹性模量、金属构件的延展性。
温度影响	高温会造成不可逆的损坏，增加内部阻抗。
机械完整性	动态冲击揭示了电池变形特性的显著差异。

为了降低这些风险，您应该优先选择遵守严格材料质量标准的制造商生产的电池。这可以确保最大限度地减少杂质和材料缺陷，从而提高性能和安全性。

2.2 环境和操作条件

环境因素如 温度和湿度 显著影响锂离子电池的性能和可靠性。这些条件的变化会导致传感器不准确，从而难以准确预测电池容量。

• 温度和相对湿度会影响传感器输出，从而可能指示潜在的故障。

• 环境干扰给数据可靠性带来了不确定性，使容量预测变得复杂。

• 考虑这些因素的模型对于提高预测准确性至关重要。

操作条件也起着至关重要的作用。高温会加速电池老化，而低温则会导致锂沉积，从而导致容量损失。振动和机械冲击在电池中很常见。 产业 和 交通运输应用，进一步给电池带来压力，增加发生故障的可能性。

发现	描述
预测精度	数据驱动模型提高预测准确性 在老化过程中。
参数变更	老化会增加内阻和扩散时间常数。
相关性	电压上升时间等外部参数与内部状态变化一致。

为确保最佳性能，应在建议的温度和湿度范围内操作锂离子电池。避免将其暴露在极端条件或机械应力下，因为这些因素可能会损害其安全性和使用寿命。

2.3 制造缺陷和质量控制

制造缺陷 缺陷仍然是导致锂离子电池故障的重要因素。即使采用先进的生产技术，也可能出现隔膜针孔、电极错位和材料不一致等问题。这些缺陷通常会导致短路、开路故障或电池寿命后期显现的潜在缺陷。

故障类型	描述
开路故障	发生在焊缝、接片处或由于腐蚀。
短路故障	通常由电极接触点的微米级缺陷引起。
潜在缺陷	随着时间的推移，潜在的缺陷会被激活并导致故障。
机械缺陷	包括隔板针孔、错位和电极皱纹。
材料质量问题	即使结构良好的电池，材料质量差也会导致缺陷。
门槛机制	当内部状态由于退化因素而超过临界阈值时，就会发生故障。

质量控制措施，例如故障模式影响分析 (FMEA) 和故障模式方法影响分析 (FMMEA)，对于识别和降低这些风险至关重要。通过实施严格的测试方案，制造商可以在电池到达消费者手中之前检测出并解决缺陷。您应该始终选择信誉良好、注重质量控制的制造商生产的电池。

2.4 使用和维护不当

不当的操作和维护会显著增加锂离子电池故障的风险。过度充电、深度放电或暴露于极端温度等恶劣条件可能会导致灾难性的后果。研究表明，锂离子电池的寿命可达 临界温度为440 K 爆炸发生前。在此类事件中，声压级在几毫秒内就能从 46.2 dB 上升到 83.85 dB，凸显了这些故障的严重性。

忽视适当的维护也会加速电池性能的下降。例如，让电池过热或在低于冰点的温度下充电可能会产生应力，导致热失控。电压突然下降和温度突然升高通常预示着即将发生故障，这凸显了定期监测的重要性。

为了最大程度地降低风险，您应该遵循以下最佳做法：

• 将部分充电的电池存放在阴凉干燥的环境中。

• 避免过度充电或深度放电。

• 使用制造商推荐的充电器和配件。

通过遵守这些准则，您可以延长锂离子电池的使用寿命，同时确保其安全性和可靠性。

锂离子电池故障源于热失控、材料杂质和不当使用等因素。这些故障可能导致严重后果，包括火灾隐患。采取完善的安全策略，例如适当的维护和消防措施，对于降低风险至关重要。

电池安全技术的进步展现出良好的前景。例如：

• 美国环保署计划提出新规，将锂离子电池作为通用废物进行管理。

• 现在，各设施都会进行热失控评估，以保证电池的安全使用。

这些发展凸显了未来改进的安全标准和消防策略将确保更安全的锂离子电池应用。

常见问题解答

1、锂离子电池安全事故常见原因有哪些？

安全事故通常由热失控、使用不当或制造缺陷引起，这些因素可能导致过热、火灾或爆炸。

2. 温度如何影响锂离子电池性能？

极端温度会加速老化，增加故障风险。高温会导致热失控，而冰冻温度则会引发锂沉积，从而降低容量。

3. 使用锂离子电池时可以采取哪些防火措施？

将电池存放在阴凉干燥的环境中。避免过度充电或暴露在高温下。请使用经过认证的充电器并遵循制造商的指南。