鋰離子電池作為現(xiàn)代能源存儲技術(shù)的核心，在電動汽車、儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而，隨著能量密度的不斷提升，電池安全問題日益凸顯，其中熱失控是最為嚴(yán)重的失效模式。

熱失控的階段性演化過程

Millennial Lithium

鋰離子電池?zé)崾Э厥且粋€典型的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程，可分為三個主要階段：

第一階段：初始觸發(fā)期

當(dāng)電池溫度達(dá)到80-120℃時，負(fù)極表面的固態(tài)電解質(zhì)界面膜開始分解。這一保護(hù)層的破壞使負(fù)極活性材料直接暴露于電解液中，引發(fā)劇烈的放熱反應(yīng)。同時，嵌入負(fù)極的鋰開始與電解液反應(yīng)，進(jìn)一步釋放熱量。

第二階段：加速反應(yīng)期

溫度升至120-200℃區(qū)間時，隔膜發(fā)生熔融收縮，導(dǎo)致正負(fù)極直接接觸形成內(nèi)短路。此時，正極材料開始分解釋放氧氣，特別是高鎳正極材料在150℃左右就會出現(xiàn)明顯的氧釋放現(xiàn)象。電解液在高溫下大量汽化，電池內(nèi)部壓力急劇上升。

第三階段：熱失控爆發(fā)期

溫度超過200℃后，電池進(jìn)入不可控狀態(tài)。正極材料完全分解，釋放大量熱量和氧氣。電解液與氧氣發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)，產(chǎn)生火焰和爆炸性氣體。電池殼體破裂，高溫氣體和顆粒物噴發(fā)而出，可能引發(fā)相鄰電池的連鎖反應(yīng)。

關(guān)鍵材料的內(nèi)在失效機(jī)制

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正極材料的氧釋放風(fēng)險

高能量密度正極材料，特別是鎳含量超過80%的層狀氧化物，在高溫下容易發(fā)生晶格氧釋放。這些活性氧與有機(jī)電解液反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量，是引發(fā)熱失控的關(guān)鍵因素。研究表明，LiNi?.?Co?.?Mn?.?O?在200℃時就開始顯著分解釋放氧氣。

負(fù)極界面的不穩(wěn)定性

石墨負(fù)極在高溫下與電解液反應(yīng)生成烷烴氣體，同時SEI膜的分解和重構(gòu)過程持續(xù)消耗活性鋰，導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加和產(chǎn)熱加劇。硅基負(fù)極由于巨大的體積變化，其界面穩(wěn)定性問題更為突出。

電解液的熱分解

碳酸酯類電解液在120℃以上開始分解，產(chǎn)生CO、CO?等氣體。LiPF?鹽分解釋放的PF?進(jìn)一步催化電解液分解，形成惡性循環(huán)。

多因素耦合的安全挑戰(zhàn)

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關(guān)鍵操作考慮因素示意圖

電池安全涉及溫度、機(jī)械、電氣等多重因素的復(fù)雜耦合：

溫度極端化挑戰(zhàn)

在低溫環(huán)境下（<-20℃），鋰離子遷移速率顯著下降，容易在負(fù)極表面析出金屬鋰枝晶，刺穿隔膜引發(fā)內(nèi)短路。而在高溫環(huán)境（>60℃）下，材料界面反應(yīng)加速，SEI膜生長失控，熱穩(wěn)定性急劇惡化。

機(jī)械濫用響應(yīng)

振動、沖擊等機(jī)械應(yīng)力會導(dǎo)致電極材料顆粒破碎、集流體斷裂，改變電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整性。在軍事和應(yīng)急救援等特殊應(yīng)用場景中，彈道沖擊可能直接導(dǎo)致電池殼體破裂，引發(fā)瞬時熱失控。

電氣濫用邊界

過充電會使正極過度脫鋰，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性破壞，同時負(fù)極析鋰風(fēng)險增加。大電流快充時，電極極化加劇，局部過熱現(xiàn)象顯著。外部短路可在數(shù)秒內(nèi)使電池溫度升高數(shù)百攝氏度。

安全防護(hù)技術(shù)發(fā)展路徑

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材料層面創(chuàng)新

開發(fā)濃度梯度正極材料，通過核殼結(jié)構(gòu)設(shè)計緩解界面副反應(yīng)。應(yīng)用氟化碳酸酯等阻燃添加劑，提高電解液熱穩(wěn)定性。構(gòu)建人工SEI膜，增強(qiáng)電極界面在極端條件下的穩(wěn)定性。

系統(tǒng)層面防護(hù)

采用熱管理系統(tǒng)的多級保護(hù)策略，結(jié)合相變材料吸熱和液冷系統(tǒng)散熱。發(fā)展智能電池管理系統(tǒng)，實時監(jiān)測電壓、溫度、內(nèi)阻等多參數(shù)變化，實現(xiàn)熱失控早期預(yù)警。

結(jié)構(gòu)層面優(yōu)化

設(shè)計防爆閥和熱阻斷結(jié)構(gòu)，控制熱失控時的氣體釋放路徑。開發(fā)模塊級防火隔離，防止單電池?zé)崾Э卦谀＝M內(nèi)傳播。

未來展望

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隨著對熱失控機(jī)制的深入理解，下一代鋰離子電池將從材料設(shè)計、制造工藝到系統(tǒng)集成全方位提升安全性能。固態(tài)電池技術(shù)的成熟有望從根本上解決電解液燃燒問題，而智能預(yù)警系統(tǒng)的完善將極大提高電池使用的安全可靠性。

在追求高能量密度的同時，必須將安全性作為同等重要的技術(shù)指標(biāo)。只有通過多學(xué)科交叉的創(chuàng)新解決方案，才能實現(xiàn)鋰離子電池在更廣泛領(lǐng)域的可靠應(yīng)用。

原文參考：A comprehensive review of lithium-ion battery components degradation and operational considerations: a safety perspective