每（měi）日科普|電動車鋰電池為什麽會爆炸，現在的技術能防止嗎？

我們正在邁入（rù）能源革命的新時代，但當（dāng）我們不斷（duàn）眺望電能利用的美（měi）好未來時，總不免擔憂，鋰離子電池（chí）安全嗎？

電（diàn）動車電池引發的爆炸（zhà）事故 圖片來源：新華（huá）網

為什（shí）麽感覺近年鋰離子電（diàn）池爆炸事故頻發？

無論是電動（dòng）汽車（chē）還是儲能電站，都（dōu）離不開一種關鍵的器件——電（diàn）池。幾（jǐ）乎所有的電動汽車和七成以上的化學（xué）儲能電站應用的都是鋰離子電池，也就是我們手機和筆記本電腦中使用的這種電池。

由於鋰離（lí）子電池出色地實現了電能源的便攜化，助推（tuī）了我們（men）這個（gè）信息時代的發（fā）展。也因此，有三位對鋰離子（zǐ）電池技術發展貢（gòng）獻最大的科（kē）學家（jiā）獲得了諾貝爾化學獎。

得益於鋰離子電池的發（fā）展，其使用場景離我們非常近，我們的手機、相機和藍牙耳機都需（xū）要它，但為什麽應用到電動車上，鋰離子電（diàn）池就發生了這麽多事故？

這其實是一個（gè）概率的（de）問題。比如某進口電動車所用的某進口電池號稱事故概率僅為一千萬分之一，但一輛車上要裝8000支這種電池（chí），相當於一千萬（wàn）支電池能夠裝1250輛電動汽車。也就是理論（lùn）上1250輛（liàng）電動汽車中，就有一輛車裏的某支電池有可能會發生事故。若這個事故屬於電池燃燒或者爆炸級別（bié）的事（shì）故，就有可能（néng）引發其周圍（wéi）的電池發生鏈式反（fǎn）應，進而造成電動汽車燃燒的大事故。

儲能電站方（fāng）麵的事故也是如此，相比於一（yī）輛電動汽車大概能儲存50～100度電，一個儲能（néng）電池的集裝箱體一（yī）般能儲存1000度（dù）電，而一個（gè）中大型儲能電（diàn）站常常是幾十個這種儲能電池集裝箱的集合。可（kě）想而知，這麽大規模的電池用量，偶爾發生事故也很正常。另一方麵，電動汽車與儲能電站的燃燒、爆炸事故的（de）後果顯（xiǎn）然要比手機電池嚴重太多（duō），且目前的消防措施幾乎對其無能為力。當然，我們也不（bú）能忽視這個消息傳播如此迅速廣泛的時代，那些時而造成人員傷亡的嚴重事件，便更容（róng）易造（zào）成較大的社會影響。

為什麽鋰離（lí）子電池會燃燒甚至（zhì）爆炸？

鋰（lǐ）離子電池是一種含能（néng）元器件，其主要由正極、負極、電解液和隔膜等組成。充電（diàn）後其（qí）正（zhèng）極一般為過渡金屬氧化物（wù），其具有較強的氧化性；負極則為內（nèi）部（bù）嵌入大量鋰（lǐ）的石墨，有極強（qiáng）的還原性。電解液一般為有機酯類，具有熔點低、可（kě）燃等（děng）特點。

特別要注意的是，我們生活中的鞭炮也（yě）是一種（zhǒng）含能器件（jiàn），許多人知道其內含（hán）火藥的成分為一硫（磺，化學式（shì）S）二硝（石，化學式KNO3）三木炭，其中硝石為強（qiáng）氧化劑，硫磺與木炭為還原（yuán）劑，當（dāng）外界給出一個超過120度的刺激後，鞭炮內氧（yǎng）化還原反應劇烈發生（shēng），釋（shì）放大量氣體與熱（rè）量，火藥燃燒、鞭炮爆炸。

由此可見，理論上鋰（lǐ）離子電池（chí）本征便可能發生高放熱的氧化還原反應，且其內（nèi）含的可燃電解（jiě）液也會助推此反應，帶來燃（rán）燒甚至爆炸（zhà）的後果。鋰離子電池燃燒或爆（bào）炸的威力有多大呢？光（guāng）從其儲存電能（néng）的角度來說，150Wh/kg能量密（mì）度的（de）普通鋰離子（zǐ）電（diàn）池（chí）的電能大約是TNT炸藥爆（bào）炸產生熱量能量密度的1/10。

近年來的研究確鑿地證明，鋰離子（zǐ）電池事故中正負極在特殊情況下可直接發生劇烈（liè）氧（yǎng）化還原反應，甚至鋁和銅（tóng）集流（liú）體也能以還原劑的方式直接參與反應，產生的熱量要顯著高於電池儲（chǔ）電對應的（de）能量（liàng）。一般來說，在（zài）密閉空間（jiān）中鋰離子（zǐ）電池發生安全事故，其最高溫度能達（dá）到800℃以上，而一支43.4g重鋰離子電池發生爆炸時的爆熱相當於5.45gTNT，達到TNT當量的1/8 。

而鋰離子電池之所以不以劇烈的（de）氧化還原反應而是以電化學反應的方式將其內部的化學（xué）能可控地、源源不斷地轉化為電能，是因為隔膜將正負極有效（xiào）地物理隔離及電子傳導絕緣（以及導離子電解液的存（cún）在）。但是，當出現各種內因或外因導致隔膜失效（xiào），進而正負極直（zhí）接接觸後，這種內短路會帶來電能被瞬間釋放，產生大量熱（rè）並帶來高溫（wēn），瞬（shùn）間破壞（huài）電池內部化學體係穩定（dìng），導致負極電解液、正極電解液、負極與正極之間，甚至集流體也（yě）參與的氧化（huà）還原反（fǎn）應，瞬時放熱升溫、造成電解液瞬間氣化進而夾雜著正負極活性物質粉（fěn）末噴出電池殼體，帶（dài）來燃燒（shāo）甚至爆炸的惡果，這個過程叫作熱失控（簡稱TR）。

根據近年來電動（dòng）汽車事（shì）故場景統計，大部分事故都是由於“自燃”，包括（kuò）靜置時（電池無充放電）、行駛時（電池放電）和充電時。少部分是出現外部熱源、碰撞和控製電路失效（xiào）時發生的事故。

“自燃”屬於自發性熱失控，後者統稱為各種濫用條件下（xià）（熱濫用、機（jī）械（xiè）濫用（yòng）、電（diàn）濫用）的熱失控。盡管兩類情景下熱失控最終帶來的升溫、燃燒等機製相似（sì），對其展開研究的難易程度卻（què）有（yǒu）很大的差別。目（mù）前，濫用條件下的熱失控（kòng）由於激發條件可控，近年來（lái）研究取得（dé）很大進展，基本能夠定量描述各種濫用條件激發熱失控（kòng）的機（jī）製及隨後的危害情況。但自發式熱失（shī）控，由於（yú）其誘因複雜不好預測，熱失控後的電池（chí）又被完（wán）全破壞很（hěn）難複原熱失控（kòng）前的微觀狀況，成為研究難點。

為什麽難以預測鋰離（lí）子電池熱（rè）失控？

自發式的熱失控是目前（qián）電動汽車最大的安全焦慮。為什麽其難（nán）以預防？這都要從電池的（de）製造說起。

如果每（měi）一支（zhī）電（diàn）池從（cóng）微觀的電極材料顆粒、隔膜到宏觀（guān）的極片（piàn）、殼體封裝都100.000000000%的完全（quán）一致，那用幾千個或幾十萬個這種電池做成（chéng）的（de）電池組肯定會有更好的安全特性。你可能注意到這裏百（bǎi）分之百的表達方式（shì）有點不一（yī）樣，後麵有十來個零，這代（dài）表著一種理想的預期——電池全尺（chǐ）度的高一致性。

眾所周知，電池不一致性的後果就是性能劣化的電池會更快地衰變，有（yǒu）些鈍化失活，直接失效；也有部分走向了另一條截然不同的道路（lù）——內短路（lù）進而熱失控、燃燒、爆炸。

那這種危害最大的自發式內短路為啥就不能預（yù）測呢？

原（yuán）因主要一是這個衰變到（dào）內短路過程十分緩慢且外界（jiè）電壓信號不明顯，二是出事的（de）電池都直接在幾分鍾內（nèi）直接進入破壞式的熱失控，電池全毀，證據無法回溯，也使得此領域研究進展緩慢。

真正精確模擬自發式內短路的過程（chéng），目前仍是（shì）一個難題。另外，電池類（lèi）似一個黑箱，盡管我們能（néng）用一些電化學譜學和原位CT的技術手段從（cóng）外部監控個別電池的電化學反應與內部微觀結構變化，但我們無法預測數千萬支電池（chí）中哪（nǎ）支會在數個月或數年後“猝死”並對其全生命（mìng）周期的（de）演（yǎn）變（biàn）進行細致研究。每一支（zhī）電池剛出廠時都幾乎絕無自發性熱失控風險，但哪支在半年後或三（sān）年後的某個夏夜或冬晨“猝死”並造成大規模燃燒事故？現在很難預測。

這像不像我們人體？

電池原料參數與製造工藝類似我們的基因，電池充（chōng）放電製度如（rú）同我（wǒ）們的飲食習慣，電池使用環境溫度變化（huà）如同生長環境。隨著成（chéng）長，總有一些人的身體中會產生長期炎症或（huò）者更嚴重的血管病變，進而在短期有可能發展成癌症或造成卒中，這（zhè）就類似電池內短路及隨後的熱失控（kòng）。

如果（guǒ）我（wǒ）們有能力對（duì）地球上每個人24h的健康狀態（tài）進行實時（shí）監控，那我們就能夠盡（jìn）早發現異常並進行處置，減少癌症與卒中（zhōng）風（fēng）險，但這顯然不符實（shí）際。同樣，我們也（yě）難以承擔對每一塊電池進行最（zuì）全麵的實時監控，現在大致能對數十塊電池（chí）組成（chéng）的（de）一個模組（zǔ）裝配監控電壓和整體溫度的裝置，而這離研究與預防電池單體自發（fā）性（xìng）熱失控的要求顯然差距甚遠。

能夠（gòu）確定的一點是，提（tí）高電池的一致性能提高（gāo）電池組（zǔ）的安（ān）全性和可（kě）靠性。然而，完美的一致不可（kě）能做到，單說電池正負極活性物質的顆（kē）粒，其每一個的形狀（zhuàng）、表麵狀態、缺陷等特征，隻要放到分辨率足夠高的設（shè）備下都（dōu）能（néng）看出（chū）差別。除了原料，電池製備還涉及數（shù）十道（dào）複雜的工序，想（xiǎng）讓電池（chí）保持一致非常困難（nán）。盡管現在動力電池產業投資（zī）動輒數億就是為了獲得更高的加工（gōng）精度，但鋰離子電池眾多的原（yuán）料和複雜的製備工（gōng）序使得一（yī）致性的提（tí）升成為一項永無止境（jìng）的任（rèn）務。

電動汽車當然還會繼續（xù）發展，我國也將繼續推（tuī）廣大規模儲電技術在能源體係中的應用。根據我國能源結構現狀，電動汽車在我（wǒ）國中長期能源戰略與未來可持續發展具有重要地位。相（xiàng）信隨（suí）著電池技術（shù）體（tǐ）係的持續高速發展，未來5~10年，其可靠性與安全性必將顯著提（tí）升。

但是，完全杜絕鋰（lǐ）離子電池的燃燒事故，幾乎是不可能的。

當然，在尊重客觀現實的情況下，還有很多提升安全性的工作可以展開。首先是創新（xīn）的預警技術，比如斯坦福大學近期（qī）報道對氫氣信號的靈敏捕捉能把預警鋰離子電池熱失控的時間前推5分鍾，這足夠電動汽車上的人員逃生（shēng）的了。另外，電池的“自毒化”技術也比（bǐ）較有效，其機製（zhì）是當電池發（fā）生熱失控的前期，能夠釋放出一些特殊化學物質（zhì）使得電池內部鈍化“癱瘓”，打斷了熱失控的鏈條。

正視鋰離（lí）子電池安全性，大力發（fā）展創新高效的安全性提升技術，持續（xù）提升電池製（zhì）造一致性。總有（yǒu）一（yī）天，這類“爆炸（zhà）性”新聞，將不再在我們生活中出現，我們可以安（ān）心地使用（yòng）電動車。