為何電動車鋰離子電池會爆炸，科技能否防止？

作者：Iflowpower – 便攜式電站供應商

我們正進入能源革命的新時代，但當我們繼續忽視電能美好的未來時，是否會擔心，鋰離子電池是否安全？電動車電池引發爆炸事故：為何新華網感覺近年來頻頻發生？無論是電動車，還是儲能電站，都離不開一個關鍵設備——電池。 幾乎所有的電動車、70%以上的化學儲能電站，都是採用鋰離子電池，也就是我們的手機、筆電裡面用的電池。

由於鋰離子電池優越的電能便攜性，促進了我們資訊時代的發展。 因此，有三位對鋰離子電池技術發展做出貢獻的科學家獲得了諾貝爾化學獎。 由於鋰離子電池的發展，使用場景非常貼近，我們的手機、相機和藍牙耳機肯定都是它，但為何應用在電動車上，鋰離子電池卻發生那麼多事故呢？這其實是機率問題。

例如一輛進口電動車使用的進口電池只有一百萬塊，但一輛車上就要安裝8,000顆這樣的電池，相當於安裝1,250輛電動車就需要1萬個電池。 也就是說理論上1250輛電動車中，有一輛車的電池可能發生事故。 此事故如果屬於電池燃燒或爆炸等級的話，則有可能引發周圍電池的連鎖反應，從而引發電動車燃燒事故。

對於儲能電站的容納也一樣，相較於一輛電動車要儲50到100度，一個電池的貨櫃體一般可以儲1000度，而一個中大型儲能電站往往就是幾十個這樣的儲能電池集裝箱的集合。 據了解，如此大規模的電池使用，偶爾也會發生類似情況。 另一方面，電動車、儲能電站的燃燒、爆炸事故的後果顯然比手機電池更嚴重，而目前的防火措施幾乎無法奏效。

當然，我們也不能忽視這個消息，因為這個消息傳播得如此之快，而且是造成人員傷亡的嚴重事件，造成了極大的社會影響。 鋰離子電池為何會燃燒甚至爆炸？鋰離子電池是一個含組件的組件，它主要由正極板、負極板、電解液和橫膈膜等組成。 充電後，其正極一般為過渡金屬氧化物，抗氧化能力較強；負極上鑲嵌著大量的鋰，具有極強的還原性。

電解液一般為有機酯類，具有熔點低、易燃的特性。 值得注意的是，我們生活中的爆竹也是一種裝置，了解含有火藥的成分分為硫磺（硫，化學式為s）二硝基苯（石，化學式為KNO3）三炭，其中亞硝基苯是強氧化劑，硫磺和炭是還原劑。 當外界給予120度以上的刺激後，鞭炮體內的氧化還原反應劇烈發生，釋放出大量氣體和熱量，防火、爆竹就爆炸了。

可以看出，理論上的鋰離子電池已經高度釋放出氧化還原反應，而其內部可燃的電解液也會助長這項反應，帶來燃燒甚至爆炸的後果。 鋰離子電池燃燒或爆炸的能量有多大？光從其儲存的電能來看，普通鋰離子電池的能量密度為150WH/kg，電能大約是TNT炸藥爆炸熱能密度的1/10。 近年來的研究確鑿，鋰離子電池中的正負極在特殊情況下可以直接發生短路，甚至鋁、銅濃縮液也能以還原劑的方式直接參與反應，而且放出的熱量要明顯高於電池儲存相應的能量。

一般來說，在密閉空間內發生安全事故，最高溫度可達800℃，而一個43.4g重的鋰離子電池發生爆炸時產生的爆炸當量為5.45gtnt，達到TNT當量的1/8。

鋰離子電池之所以不發生劇烈的氧化還原反應而是在電化學反應中不斷地將電池中的電子轉換成電能，而是由於隔膜對電池進行了有效的物理隔離和電子傳導絕緣（還有電解液的存在）。 但是當各種內部或外部原因導致隔膜失效，那麼正負極就直接接觸了，這種內部的短路會帶來電能的釋放，有大量的熱量並且帶來高溫，瞬間破壞電池內部的化學系統，導致穩定的負極電解液、正極電解液、負極與正極，甚至還參與氧化還原反應的電流流體，瞬間變壓物質，導致電解液、負極與正極，甚至還參與氧化還原反應的電流流體，瞬間變壓，導致電解液。 從近年來電動車事故現場統計來看，絕大部分事故都是“自燃”，包括駐車（無電池放電）、行駛中（電池放電）和充電時等。

小部分是受到外界熱源、碰撞、控制電路故障等影響而發生的事故。 「自燃」屬於自熱損失，後者統稱為熱失控（熱濫用、機械濫用、電濫用）。 雖然兩類情境最終帶來的極限溫度、燃燒等機制相似，但進行研究的難度卻有很大差異。

目前濫用情況下的熱失控，是透過激勵條件來控制的。 近年來取得了很大進展，基本上能夠定量描述各種濫用情況的發生機制以及產生的作用機制和後續危害。 然而自然熱失控，由於其複雜難以理解，熱失控後的電池徹底損壞，很難恢復熱失控前的微觀情況，成為研究的困難。

為什麼鋰離子電池熱失控難以預測？自燃熱失控是目前電動車最大的安全隱患。 為何難以預防？這應該從電池的製造說。 如果每個電池從微觀的電極材料顆粒、隔膜到宏觀的極板、外殼封裝都是完全一致的，那簡直就是100倍的一致性。

000000,000%，這裡面一定會有幾千個、幾十萬個這樣的電池組成的電池組。 更好的安全功能。 你可能會注意到這裡的百分之百的表達有點不同，後面有十個零，這代表了一個理想的預期——電池滿量程高。

眾所周知，電池不一致的後果就是性能下降的電池會衰減得更快，有的鈍化失活，直接失效；還有部分不同的路子——內部短路、熱度失控，燃燒、爆炸。 這種危害是否有短暫的短期短路呢？原因是這種衰減非常緩慢，外部電壓訊號不明顯。 二是電池在幾分鐘內就直接進入破壞性的熱失控，電池完整，證據無法追溯，這也使得這一領域的研究取得進展。

真正準確模擬短期短路，還是一個問題。 另外，電池類似於一個黑盒子，雖然我們可以利用一些電化學波譜儀和原位CT技術手段來監測單個電池的變化和內部微觀結構，但我們無法預測哪幾千萬個電池會在幾個月或幾年後被人們精心研究而「突然死亡」。 每個電池幾乎都不存在自行發明的風險，但哪一塊電池在半年後、三年後或者在冬天陳後就“突然死亡”，從而引發大面積燃燒事故呢？現在很難預測。

這跟我們的身體不一樣嗎？電池的材料參數及製造流程 電池的充放電系統就像我們的基因一樣，電池的使用環境溫度變化就像我們的成長環境。 隨著成長，總有一些人的身體，會出現長期的發炎或更嚴重的血管病變，從而可能在短時間內發展成癌症或引發中風，這就類似於電池短路以及隨後的溫控器故障。 如果我們有能力對地球上每個人24小時的健康狀況進行即時監測，我們就能及時發現異常，並能防治癌症、中風等，但這顯然不是現實。

同樣，我們也難以承擔對每一塊電池進行最全面的即時監控，現在能夠組裝一個模組，讓幾十塊電池都來監控電壓和整體的溫度，而這距離研究和預防電池單體自發熱失控的要求顯然有差距。 可以確定的一件事是提高電池的一致性能，以提高電池組的安全性和可靠性。 但完美的一致性是做不到的，電池正負極活性物質的顆粒，各自的形狀，表面狀況，缺陷等都存在著一定的差異。

電池，只要解析度夠高，就可以看到。 除了原料之外，電池的製備涉及數十道複雜的工序，想要保持電池的一致性非常困難。 雖然現在鋰離子電池產業投入強大，以達到更高的加工精度，但是鋰離子電池原料的眾多以及製備過程的複雜，使得一致性成為一個永無止境的任務。

電動車當然還會繼續發展，我國也會繼續推動能源系統中的大規模儲能技術。 根據我國能源結構現狀，電動車對我國中長期能源戰略和未來永續發展有重要作用。 相信隨著電池技術體系的持續快速發展，未來5-10年其可靠性和安全性將會顯著提高。

然而，完全杜絕鋰離子電池燃燒事故的發生，幾乎是不可能的。 當然，在尊重客觀現實的情況下，提高安全性的方法有很多。 首先是創新的預警技術，例如史丹佛大學近期報道的靈敏捕捉氫氣訊號可以推動警示鋰離子電池熱失控，足以讓電動車上的人員逃脫危險。

此外，電池的“自毒”技術也較為有效，其機理是當電池產生熱失控時，能釋放出一些特殊的化學物質來鈍化電池內部的“故障”，中斷熱失控鏈。 在鋰離子電池安全性方面，大力開發創新、高效率的安全改良技術，不斷提高電池製造的一致性。 總有一天，這種「爆炸性」的新聞不會再出現在我們的生活中，我們可以安心使用電動車了。

致謝：感謝清華大學王利和車輛學院馮訓寧兩位老師提供的相關資料和有益的討論。