文章转载自公众号“锂电标准化”(工信部锂离子电池及类似产品标准工作组)

前言

如今,锂离子电池早已融入日常生活中,由于锂离子电池具备能量密度高、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应等优点,能够在较小体积下提供更强的续航能力,因此手机、笔记本电脑、移动电源、电动工具,甚至新能源汽车都离不开它的支持,但带来便利的同时,“起火”也成为重中之重的安全问题。

什么是锂离子电池?

简单来说,锂离子电池是一种靠锂离子在正负极之间来回移动,实现充电和放电的二次电池。充电时,锂离子从正极“跑”到负极储存起来;放电时,锂离子再从负极回到正极,同时释放电能,给手机、电脑、电动车等设备供电。其中,它具备多种形态,如圆柱形锂离子电池、软包锂离子电池等,因此可装配进多类产品内。

电池内部成分结构?

锂电池的材料体系主要涉及正极材料、负极材料、电解液和隔膜四部分组成。正极材料可能是磷酸铁锂、三元材料等,负极通常为石墨,隔膜则是一层带有微孔的高分子薄膜,用来隔开正负极,同时允许锂离子在内部穿梭;而在这些部件之间起关键作用的,就是电解液,让正极、隔膜、负极充分接触形成一个整体。

为什么会起火?

首先需要明白的是,本质上,火并不只是肉眼看到的火焰现象,而是一种剧烈的氧化反应,也就是燃烧。一般来说,燃烧的发生需要三个条件:可燃物、氧化剂以及足够的温度。

电解液作为锂离子在电池内部“移动”的介质,它能带来优异的导电性能和电化学性能,是锂电池实现高能量密度的重要基础;而现阶段能让锂离子电池性能优异的电解液是有机电解液,但最关键的问题也是这里:有机电解液本身具有易燃性。某种程度上,它就像汽油车中的燃油,为燃烧提供了物质基础。

进一步来看,有机电解液本质上是将电解质溶解在有机溶剂中形成的液体体系。常见有机溶剂包括EC(碳酸乙烯酯)、DMC(碳酸二甲酯)等。这些物质在高温条件下容易分解,不仅可能释放大量气体,还可能诱发连锁反应。分解过程中产生的气体中,往往包括一氧化碳、甲烷、乙烯等可燃成分,也可能伴随部分有毒气体。这样一来,电池内部就同时具备了可燃物和高温条件。

如果电池正极采用的是三元材料,在异常升温或高压状态下,还有可能进一步析出氧气。这样一来,燃烧所需的三个条件可能在电池的密闭空间内部同时具备。一旦隔膜受损、内部短路,或者外部受到挤压、穿刺、过充、过热等刺激,就可能触发“热失控”,最终导致起火甚至爆炸。同时,这也是为什么高能量密度的三元锂电池,其起火风险和扑救难度往往高于磷酸铁锂等其他材料体系的原因。

有机电解液是否能替换?

先说结果:有机电解液可以更换!但带来的结果就是,电池的能量密度、循环寿命以及工作电压范围都会受到明显限制,很难满足智能手机、轻薄笔记本以及新能源汽车等对高性能电池的需求,虽然电池会变得更安全,但也可能更重、容量更低、续航更短。

此外,行业内研究的固态电池,就是备受关注的新方案之一。它虽然与传统液态锂电池不同,尝试用固态电解质替代易燃的有机电解液,从源头上降低燃烧风险。虽然被视为下一代高安全电池技术的重要革新,不过,固态电池目前仍面临界面阻抗大、材料匹配难、制造成本高等问题。

有机电解液之所以至今仍是主流,它的适配范围更广,可以与多种高电压正极材料配合使用,帮助电池获得更高能量密度;其次,它有利于锂离子在正负极之间快速迁移,使电池具备更好的充放电性能;此外,它在现阶段还具有较成熟的产业基础和成本优势。虽然它存在安全隐患,但仍然是当前最现实的选择。

如何预防起火?

归根结底,是因为锂离子电池内部存在易燃的有机电解液,在异常工况下还可能伴随发热、产气、析氧和短路等一系列连锁反应,从而引发剧烈的氧化反应。

对于普通消费者而言,降低风险最有效的方法,首先是选择质量可靠、品控较好的正规产品;

其次是在使用过程中避免过充、暴晒、挤压、跌落以及使用不匹配的充电器;

如果发现电池鼓包、异常发热、异味或外壳破损,也应及时停止使用,并正确处理回收。

充电头网总结

随着安全标准不断完善、材料技术持续进步,锂离子电池的安全性正在逐步提升。锂离子电池之所以会起火,是因为它为了满足当下时代的设备续航需求,不得不在内部携带了类似“汽油”的“易燃”有机电解质。

未来,无论是出现更高安全的液态体系,还是逐步成熟的固态电池,都有望让“高性能”和“高安全”之间的矛盾进一步缓解。但在当下,理解锂电池为何会起火,并正确使用它,才是降低风险的重要前提。

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