熱失控是電池技術中的一個關鍵問題，特別是在從消費電子產品到電動汽車等各種應用中常用的鋰離子電池中。了解與熱失控相關的風險對于確保安全和減輕潛在危險至關重要。這就是為什么我們要仔細研究電池熱失控的風險。
什么是鋰電池熱失控？
鋰離子熱失控是一種復雜的鏈式反應現象，具有潛在的災難性后果。鋰熱失控通常始于鋰電池的擊穿 固體電解質界面 (SEI) 電池負極內的隔膜。這種故障可能是由過度充電、物理損壞或制造缺陷等因素引起的。一旦 SEI 膜破裂，電池內的隔膜就會開始分解和熔化。這種擊穿會損害電池的結構完整性，并促進電極和電解質之間反應的擴散。當負極與電解質相互作用時，會引發進一步的分解反應，導致熱量和氣體的釋放。這個過程會迅速升級并蔓延到正極，加劇熱失控現象。電池內部廣泛的分解和擊穿會導致內部短路，導致局部發熱并進一步加速鏈式反應。最終，電解質著火，導致劇烈燃燒并釋放熱量和有害氣體。
人們將鋰電池想象為封閉的能量球。這些小型電池以還原劑和氧化劑的形式存在，使它們能夠進行緩慢的充電和放電或劇烈的燃燒。鋰離子電池熱失控是指多種因素引發的連鎖反應，產生熱量，使鋰離子電池熱失控溫度升高到千攝氏度以上，使鋰電池劇烈點燃，在電池內部放出大量熱量和有害氣體。短期內。
因此，當鋰離子電池發生熱失控時，整個電池組釋放的能量是驚人的。一個由100個電池組成、充電容量為100Ah的電池組，其失控能量為240,000,000J，相當于57公斤TNT。盡管科學家和工程師不斷改進設計、增強算法，進而有效提高汽車鋰離子電池組的安全性，但在現實生活中我們還是會時不時聽到一些電動汽車、手機起火的情況。
造成電池熱失控的原因是什么？
- 過度充電：電池本身有過充保護，但如果這個過充保護失靈，電池繼續充電，就會導致過充，引發熱失控。隨著電池使用時間的推移，老化變得更加嚴重，電池組的一致性變差。此時，如果電池過度充電，則極易出現熱安全問題。因此，有必要始終 請遵循安全充電說明。
- 過熱：當電池進行高速放電或遇到極端條件時，電池內部溫度逐漸升高。當電池內積聚大量熱量時，如果不及時限制放電電流，可能會導致鋰電池熱失控。
- 機械：沖擊、內部短路和其他損壞電池組的行為可能會導致熱失控。
鋰電池熱失控發生過程
熱失控分為三個階段：自加熱階段（50℃-140℃）、失控階段（140℃-850℃）和終止階段（850℃-室溫）。一些文獻表明，隔膜的大量熔化溫度在 140°C 左右開始。
自加熱階段，也稱為熱量積累階段，從SEI膜的溶解開始。當溫度達到 90°C 左右時，SEI 膜的溶解變得明顯。 SEI膜的溶解使負極和負極內嵌鋰的碳成分暴露在電解液中，引發放熱反應，從而升高溫度。相反，溫度升高會加速SEI膜的進一步分解。如果沒有外部冷卻機制，這個過程將持續到SEI膜完全分解。
在失控階段，一旦溫度超過140℃，正負極 電極 材料參與電化學反應，由于反應物質量增加而導致溫度更快升高。可觀察到的變化包括電壓急劇下降，描述如下：達到該溫度范圍后，隔膜開始大量熔化，導致正負極直接接觸，造成大范圍短路。
在短時間內，激烈的反應會產生大量的氣體和熱量。熱量進一步加熱氣體，使電池外殼膨脹并破裂，導致材料噴射等現象。失控達到最激烈的狀態，在此階段達到最高溫度。如果附近有其他電池，熱失控可能會通過將熱量傳遞到周圍環境而蔓延到它們。熱量可能傳導至導電部件或體積膨脹。最初間隔開的電池現在可以直接接觸，從而促進電池外殼之間的熱傳遞。
在終止階段，一旦發生熱失控，只有當所有反應物消耗完后才能終止。消防部門的一份報告表明，對于鋰電池等含有高能物質的封閉式設備，消防方法無法立即阻止正在發生的熱失控。滅火劑無法有效到達反應物質。在這種情況下，消防員面臨著很高的風險，而可用的措施卻有限。一般來說，采取的方法是隔離事故現場。熱失控只有在反應物耗盡后才能自然終止。
如何防止鋰離子熱失控？
由上可知，熱失控的重點在于預防和監測。一旦發生熱失控，就幾乎無法阻止它，就像試圖撲滅手榴彈爆炸一樣。
預防
1、熱失控的關鍵在于正負極材料和電解液的穩定性。未來還需要在正極材料的包覆與改性、均質電解液與電極的兼容性、電芯導熱性能的提升等方面取得更高的突破。或者選擇安全性高的電解液來起到阻燃的效果。
2、從外部角度實施系統升級和改進。
- PTC（正溫度系數） 設備： 在鋰離子電池中安裝PTC器件要考慮內部壓力和溫度。當電池因過充而溫度升高時，電池內阻迅速增大以限制電流，從而將正負極間電壓降低至安全水平，實現對電池的自動保護。
- 防爆閥門： 當電池內壓異常時，防爆閥變形，切斷電池內部用于連接的引線，從而停止充電。
- 強化冷卻方式： 熱管理系統對于控制溫度并確保電池在合理的溫度下運行至關重要。通常，熱管理系統由車輛控制器控制。當電池組溫度異常時，通過空調系統及時冷卻或加熱，確保電池安全和壽命。
- 氣凝膠 電池隔熱墊： 當電芯發生熱失控時，可以在動力電池電芯和模組之間組裝氣凝膠導熱墊，低導熱系數的氣凝膠可以起到隔熱的作用，延緩或阻斷事故的發生；當電芯過熱燃燒時，氣凝膠導熱墊達到A級不燃性能，有效阻斷或減緩火勢蔓延，可保證電池組在5分鐘內不會燃燒或爆炸，提供足夠的逃生時間。
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滅菌監測
1. 早中期監測
- 實時熱失控預警技術 BMS
目前，最容易實現的解決方案是使用BMS來監控溫度、電壓和其他運行參數，以檢測熱失控的早期跡象。為了提高其故障檢測能力，可以使用或開發更高精度和可靠性的溫度傳感器和電壓傳感器。同時，可以通過算法構建更準確、更有效的狀態參數估計模型，以更早地發現誤操作和異常情況。人工智能可以在這個過程中發揮一定的作用。但BMS解決方案也存在問題：外部參數監測無法提供完整準確的模擬，也無法準確反映內部電化學變化，使得現代BMS無法全面評估電芯潛在的熱失控風險。
- 基于內部狀態預測的熱失控預警技術
由于從外部很難完全控制，因此從內部開始，目前的研究方向包括使用嵌入式可折疊布拉格光纖傳感器或電化學阻抗分析儀頻率響應分析來實時檢測內部電池溫度和阻抗。但由于成本和技術問題，這些仍處于實驗室階段，無法應用于實際生產。
- 基于氣體檢測的熱失控預警技術
在鋰離子電池熱失控的早期，由于電池溫度、放電電壓、放電電流等特征識別參數的變化非常緩慢，普通BMS無法及早發現電池故障。此時，由于電池內部的電化學反應，會產生大量氣體。因此，利用氣體檢測傳感器實現鋰離子電池熱失控預警是可行的。目前，已有一些企業開發出了氣體檢測與消防相結合的相關產品。
2. 后期監控
當電池隔膜開始大量溶解，導致電池內部大面積短路時，由于正負極之間的大量短路，在此階段會出現電壓驟降。此時，熱失控是完全不可控的。
在此過程中會出現可檢測的電氣參數，即電池組端電壓。目前的BMS系統只能準確采集每個串聯模塊（每個模塊包含多個并聯電池）的電壓數據。這種現象使得管理系統能夠檢測到電池單元中的故障。
但隨著時間的推移檢測到電壓下降，已經是不可逆的熱失控時刻。冷卻措施的觸發信號失去了意義。
我們能做的就是在產品設計和實施過程中考慮延遲熱失控蔓延的策略。事實上，熱失控發生得極其迅速，可以在短時間內造成毀滅性的損害。因此，必須延緩或抑制熱失控的危害，為事故發生后提供充足的逃生時間。
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結論
鋰電池組一旦發生熱失控，就如同射出的箭無法收回。目前，業界已經大致了解了熱失控背后的機制。未來的研究將更多地關注電池安全、熱管理、熱失控的早期預測和預警，以及后期通知和溝通的障礙。經過行業專家的不斷探索，相信在不久的將來將會實現電池熱失控的綜合解決方案。屆時，人們可以更加安心地駕駛電動汽車，大規模使用儲能產品，放心地享受清潔能源驅動的新生活方式。
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