【电池设计】方壳电池模组设计与工艺
一、锂电池热失控之殇
触目惊心的案例：
近年来，锂电池热失控引发的事故层出不穷，给人们的生命财产安全带来了严重威胁。
广州男子电梯内电池爆炸：2021 年 10 月 8 日凌晨，广州市海珠区一居民小区，58 岁的陈某提着非法二次加工改装的锂电池进入电梯后瞬间爆炸，陈某全身烧伤 90%。经监控画面复盘，当天凌晨 1 时 44 分，陈某提着电池走入电梯，刚按下电梯的 1 层按钮和关门键，手中的电池就瞬间爆炸。短短 4 秒，监控视频的画面变黑暗，什么都看不清了。据悉，该男子出门前曾和妻子说电池发热了，打算拎到室外降温，不想当其进入电梯后，悲剧突然发生。之后陈某被送往医院救治，被诊断为全身火焰烧伤 90%、重度吸入性损伤、急性肾损伤和左眼烧伤等。消防部门出具的火灾事故认定书指出，起火原因是电动自行车锂电池热失控。经法院委托鉴定，涉案爆炸电池属于非法二次加工改装电池，销售者张某承担 70% 的责任，陈某承担 30% 的责任。
北京小区一家四口被困火海：2023 年，北京某小区白大爷家因放在客厅座椅上的锂电池热失控起火，一家 4 口被困。当时白大爷的外孙女玩手机还未入睡，家里突然断电，才惊觉着火，但客厅已充满浓烟，逃不出去，她无奈退回自己卧室后，赶紧拨打了 119 报警电话，并向家人高呼 “着火了”。事后初步判定，这起火灾系白大爷放在客厅座椅上的锂电池热失控，进而引燃周边沙发等可燃物所致。经消防调查发现，白大爷原本有一辆电动三轮车，2023 年他在网上新购买了一块 48v 锂电池留作备用，去年电动三轮车淘汰时，白大爷将新买的这块电池留下了。小区物业公司、社区居委会和街道办事处的工作人员多次上门提示、劝导，建议白大爷不要将电池带回家中，但老人依旧我行我素，不予理睬。
湖北大学生全身 90% 烧伤：今年暑假，湖北两名大学生在学校附近打工，做外卖骑手的小李将电动自行车的锂电池拿回屋里充电时发生爆燃，导致室友小杜全身 90% 烧伤。根据当地消防部门认定，这次火灾原因为锂电池充电过程中发生热失控引燃周边可燃物。小杜除了左脚面及头顶未被烧伤，其他部位均被烧伤。目前小杜室友的家人分两次给了小杜一家 1 万元，小杜所在武汉城市学院也发动师生为小杜线上募集了一定资金。
二、锂电池热失控原因剖析
（一）内部因素
1.机械滥用：锂电池在使用过程中可能会遭受挤压、碰撞、针刺等外力作用，导致电芯发生形变。这种形变会破坏隔膜，使正负极之间短路。一旦正负极短路，电流会急剧增加，产生大量的热量，从而诱发热失控。
2.热滥用：锂电池在高温环境下长时间工作时，外界高温环境以及使用过程中产生的极化热、反应热、分解热等成为主要热源。这些热量会使电池内部温度升高，当温度达到一定程度时，会引发一系列的化学反应，导致热失控。例如，当电池暴露在高温环境下，电池内部的化学反应会加剧，产生更多的热量，从而引发热失控。
3.电滥用：过充电会导致活性物质结构遭到破坏，电解液分解产气，电池内部压强增大。当锂电池充电过度时，电池内部的化学反应会加剧，产生更多的热量，从而引发热失控。过放电、大倍率充电等也可能引发热失控。例如，在使用后期，电池容量下降时，电池容易处于过充电状态，热失控温度自然会下降。
（二）外部因素
1.环境温度过高且电池散热不好，或者内部绕组不良，会导致电池散热不佳。在高温环境下工作或保存的锂电池更容易受到热失控的影响，因为温度升高会降解电解质和其他内部物质，从而降低电池的热稳定性。
2.电池脊柱有时会发热，若电路中有热源较高的组件靠近电池书脊，会影响散热。电池的金属脊线具有铜和铝，热导率相对较好，对于电路中有一些热源较高的组件，必须确保远离电池书脊，以充分散热。
3.微短路：包括电池生产过程中的短路（如毛刺）和使用过程中的短路，使电池局部温度高于热失控温度。微短路有两种情况，一个是电池生产过程中的短路，另一个是使用过程中的短路，这些情况将导致微短路，并使电池的局部温度高于热失控温度，进而导致热失控现象。
4.过度充电：降低材料的热失控温度，后期电池容量下降时易处于过充电状态。将锂电池充电超过其电压限制可能会导致阳极上过度镀锂，形成枝晶，刺穿隔膜并形成短路。此外，过度充电会导致电解质和其他材料的分解，同样会增加内部温度和热失控的机会。
5.电解质用量过多：爆炸危害大，火焰喷射高且远，必须严格控制电解液的用量。如果用量过多，爆炸将非常有害，火焰会喷射得很高甚至很远。
三、锂电池热失控的预兆
1.电池发热：当锂电池出现热失控时，最明显的预兆之一就是电池发热。温度持续升高，超过 65°C 并持续上升，这是电池爆炸的重要前兆。这种发热可能由外部短路、过充电或物理损伤导致。例如，在一些事故案例中，用户可能在充电过程中使用了不合适的充电器，导致过充电，从而使电池温度急剧上升。又或者，电池在使用过程中受到了外力撞击，造成内部短路，也会引发电池发热。一旦发现电池发热，需及时处理，避免热失控的发生。
2.电池变形：外壳或单体电芯出现明显的鼓胀变形，显示电池已经发生一定程度的不稳定，有较高概率转化为热失控和燃烧。这种变形可能是由于电池内部的化学反应失控，产生大量气体，导致电池外壳膨胀。比如，在高温环境下，电池内部的电解质可能会分解，产生气体，使电池发生变形。此外，过度充电或过放电也可能导致电池变形。
3.电解液泄漏：通过密封垫或接头泄漏至外部，表明电池防护结构已经受损，内部短路的可能性较高，存在安全隐患。电解液泄漏通常是由于电池外壳受到物理损伤，或者电池内部的压力过大，导致密封结构破裂。一旦发现电解液泄漏，应立即停止使用电池，并采取适当的安全措施，避免接触泄漏的电解液，因为电解液具有腐蚀性和毒性。
4.刺激性气味：散发出刺激性气味，可能是电解液分解产生的气体，显示电池反应已经失去控制，发生过度发热和燃烧。当电池内部的化学反应失控时，电解液会分解产生各种气体，如氢气、一氧化碳等，这些气体通常具有刺激性气味。如果闻到这种气味，应立即远离电池，并采取相应的安全措施，如通风、报警等。
5.电流和电压异常：监控系统检测到电流、电压或内阻出现异常波动，超过正常工作范围，显示电池内部已发生一定故障，安全性下降。电流和电压异常可能是由于电池内部的短路、断路或其他故障引起的。例如，当电池内部的正负极之间发生短路时，电流会急剧增加，电压会下降。此外，电池老化、过充过放等也可能导致电流和电压异常。如果发现电池的电流和电压异常，应立即停止使用电池，并进行检查和维修。
四、预防锂电池热失控的措施
（一）内部改进策略
1.设置安全阀，但严格把控压力值范围。
安全阀在预防锂电池热失控中起着关键作用。合理设置安全阀可以在电池内部压力过高时及时释放压力，避免压力持续上升引发更严重的后果。然而，压力值范围的把控至关重要，若压力值设置过高，可能无法在适当的时候发挥作用；若设置过低，则可能会导致安全阀频繁开启，影响电池的正常使用。因此，需要根据电池的具体特性和使用环境，精确调整安全阀的压力值范围，以确保其在关键时刻能够有效地保护电池。
2.安装热敏电阻，防止电池过充或短路。
热敏电阻能够对电池的温度变化做出快速响应。当电池温度升高到一定程度时，热敏电阻的阻值会发生变化，从而触发保护机制，防止电池过充或短路。例如，在充电过程中，如果电池温度异常升高，热敏电阻可以及时检测到这一变化，并向充电设备发送信号，停止充电，从而避免因过充而引发热失控。此外，热敏电阻还可以在电池发生短路时迅速切断电路，降低热失控的风险。
3.BMS 精确的热管理，利用水冷、风冷等对电池降温。
电池管理系统（BMS）的精确热管理是预防锂电池热失控的重要手段之一。通过水冷、风冷等方式，可以有效地降低电池的温度，保持电池在安全的工作温度范围内。水冷系统利用水的高比热容，能够快速吸收电池产生的热量，然后通过散热器将热量散发到周围环境中。风冷系统则通过空气流动带走电池表面的热量，其结构相对简单，成本较低。BMS 可以实时监测电池的温度，并根据温度变化自动调整冷却系统的工作状态，确保电池始终处于适宜的温度环境。
4.电解液中添加添加剂，降低电解液的可燃性。
在电解液中添加添加剂是提高锂电池安全性的有效方法之一。添加剂可以降低电解液的可燃性，减少因电解液燃烧而引发热失控的风险。例如，添加阻燃剂可以在高温下分解生成不燃气体，降低电解液的燃烧倾向。此外，一些添加剂还可以改善电解液的稳定性，提高电池的循环寿命和安全性能。然而，添加剂的选择和使用需要谨慎，要确保其不会对电池的性能产生负面影响。
5.提高 SEI 成膜质量，如添加 LiCF3SO3 等，使 SEI 中的无机成分更多。
提高固体电解质界面（SEI）膜的成膜质量对于预防锂电池热失控至关重要。通过在电解液中添加 LiCF3SO3 等物质，可以增加 SEI 膜中的无机成分，使 SEI 膜更加致密和稳定。无机成分含量高的 SEI 膜能够有效保护负极表面，防止电解液与负极中的锂进一步反应，同时也有利于锂离子的快速通过，降低极化，提高电池的快充性能和安全性能。例如，科研人员通过光化学方法形成的人造 SEI 膜中，无机成分占比高达 80% 左右，远高于电化学形成的 SEI 膜，且 LiF 成分的占比为 30% 左右。这种高无机成分的 SEI 膜可以有效改善负极的极化程度，使电池能够更好地适应在大倍率条件下的充电。
6.阻止正极材料与电解液的反应，如使用电解液添加剂或正极材料包覆。
正极材料与电解液的反应是引发锂电池热失控的重要因素之一。为了阻止这种反应，可以采用电解液添加剂或正极材料包覆的方法。电解液添加剂可以在正极表面形成一层保护膜，阻止正极材料与电解液直接接触，从而减少反应的发生。正极材料包覆则是在正极材料表面覆盖一层具有高热稳定性和化学惰性的材料，如磷酸盐、氟化物和固体氧化物等。这些包覆材料可以阻挡正极材料与电解液的直接反应，抑制正极材料的相变过程，降低阳离子无序性，提高正极材料的热稳定性。
7.提高隔膜的熔点，如在隔膜两侧涂陶瓷层。
隔膜在锂电池中起着隔离正负极、防止短路的重要作用。提高隔膜的熔点可以增强其在高温环境下的稳定性，减少因隔膜热收缩或熔融而引发热失控的风险。在隔膜两侧涂陶瓷层是一种有效的方法，陶瓷材料具有高熔点和良好的耐热性，可以在高温下保持隔膜的尺寸稳定性，阻止电极之间的直接接触，减少短路风险。例如，在聚烯烃隔膜表面涂覆陶瓷材料，如氧化铝或氧化锆，可以显著提高隔膜的耐热性和机械强度，提高电池的整体性能和安全性。
（二）外部管理策略
1.PTC 元件：当电池因过充而升温时，内阻迅速提高从而限制电流，使正负极之间的电压降为安全电压，实现自动保护功能。
PTC（正温度系数）元件在锂电池的过充保护中发挥着重要作用。当电池因过充而升温时，PTC 元件的内阻会迅速提高，从而限制电流的通过，使正负极之间的电压降为安全电压。这样可以有效地防止电池因过充而引发热失控，实现自动保护功能。例如，在一些锂离子电池中，安装了 PTC 元件后，当电池温度升高到一定程度时，PTC 元件会自动启动，限制电流，保护电池的安全。
2.防爆阀：当电池内压过大时，变形切断内部引线，停止充电。
防爆阀是锂电池的重要安全装置之一。当电池内压过大时，防爆阀会变形，切断内部引线，停止充电，从而避免电池因内压过大而引发爆炸。例如，在一些锂离子电池中，防爆阀的设计可以承受一定的内压，当内压超过设计值时，防爆阀会迅速变形，切断内部引线，保护电池的安全。
3.电子线路：2 - 4 节的电池组可预埋电子线路设计锂离子保护器，避免过充及过放电，延长电池寿命。
对于 2 - 4 节的电池组，可以预埋电子线路设计锂离子保护器。这种保护器可以实时监测电池的电压和电流，避免过充及过放电的情况发生。过充和过放电会对电池造成严重的损害，不仅会影响电池的性能和寿命，还会增加热失控的风险。通过预埋电子线路设计锂离子保护器，可以有效地保护电池，延长电池的寿命。
4.改进电解液体系：功能添加剂、离子液体、选择热稳定性好的锂盐等，提高电解液的稳定性和安全性。
改进电解液体系是提高锂电池安全性的重要途径之一。可以通过添加功能添加剂、使用离子液体或选择热稳定性好的锂盐等方法，提高电解液的稳定性和安全性。功能添加剂具有用量少、针对性强的特点，可以在不增加或基本不增加电池成本、不改变生产工艺的情况下，显著改善电池的某些宏观性能。例如，阻燃添加剂可以在高温下分解生成不燃气体，降低电解液的燃烧倾向；过充添加剂可以在电池过度充电时，发生一系列的反应，保护电池的安全。离子液体电解质完全是由阴阳离子组成，具有热稳定性高、蒸气压几乎为 0、不易燃、无腐蚀性、电导率较高、化学或电化学稳定性好等优点。选择热稳定性好的锂盐，如双草酸硼酸锂（LiBOB）、二氟草酸硼酸锂（LiODFB）等，可以提高电解液的热稳定性，降低热失控的风险。
五、遇到锂电池起火的应对方法
万一电动自行车起火，在条件允许的情况下，应第一时间切断电闸，防止触电、漏电事故发生；如果火势紧急，难以控制，要迅速拨打 119 报警电话寻求救援。
当发现锂电池起火时，首先要保持冷静，切勿惊慌。如果正在充电的锂电池起火，一定要在保证安全的前提下先断电源再采取灭火措施，否则不仅有触电风险，还会引发因交流电电解水而产生的二次火灾。
灭火时，干粉灭火器只能扑灭周边火焰，不能降低电池内部温度，且容易复燃甚至爆炸。相比之下，水或者水基型灭火器既能消除明火又有一定的冷却作用，反而是锂电池起火时应急处置的首选。使用水基灭火器时，喷射后呈水雾状，灭火剂可以在可燃物表面迅速形成一层水膜，隔绝氧气，还能渗透到电池内部，对电池进行冷却降温，进而达到快速灭火的目的。如果身边没有水基灭火器，也可以使用大量的水持续进行扑救，水量应足以将电池完全浸泡或覆盖。但灭火的过程中千万不要移动正在燃烧或者冒烟的设备，防止带来严重的人身伤害。同时，不要使用物品覆盖或用冰块降低温度，这类隔绝锂电池的方式，会导致设备热量无法在短时间内散出，反而增加危险。
如果火势无法控制，应立即撤离并拨打消防电话 119 请求支援。在等待消防人员到来的过程中，周围人员应迅速远离起火车辆，不要贪恋财物。如果有灭火器，在保障自身安全的前提下，可优先选用水基灭火器或者大量水进行扑救。应在电动自行车集中停放和充电的车棚，配备一定数量的水基灭火器，设置消防栓、水枪等消防器材。同时加强对安保人员的培训和演练，这样能够在消防救援人员到来前，第一时间科学处置，尽最大可能减少火灾损失。
防范电动自行车火灾预防是关键。锂电池起火前，通常会有征兆，一旦发现电池过热、变形、电解液泄漏或者闻到电池发出刺激性气味，这就意味着电池防护结构可能受损，一定要及时送修进行检查维护。消费者应选购正规合格的电动自行车及配件，不要违规改装，避免超长时间充电，禁止电动自行车进楼入户，保障自己和他人的生命安全。
