锂离子电池火灾危险性初探 作者：庄军来源：《消防界》2021年第20期 摘要：蓄电池广泛运用于各类电子设备中，从以前的铅蓄电池到现在的锂离子电池，不仅电池的体积变小了，储存的电量却变多了，为人民生活带来了极大的方便。近年来，锂电池发展迅速，但起火爆炸导致的火灾事故时有发生，比较典型的锂电池电动自行车火灾，造成人员伤亡，给人民生命财产安全造成较大威胁。笔者从锂离子电池构造入手，就过充、锂枝晶、外界撞击及隔膜缺陷等方面分析锂电池火灾风险，在研发和使用领域提出解决方案。 关键词：锂离子电池;火灾危险性;解决方法
一、锂离子电池火灾案例
2012年，埃塞俄比亚航空的波音787飞机在希思罗机场发生火灾，起火的原因为飞机内锂电池短路。
2019年6月11日，云南省大理古城内一处民房发生火灾，6人不幸遇难。经调查，火灾原
2020年7月8日，上海闵行区东川路811弄文馨苑15号一门面店发生火灾。经调查，起火原因系电动自行车锂离子蓄电池在充电过程中发生故障，引燃周围可燃物扩大成灾并造成2人死亡。
2020年10月10日6时59分，上海市浦东新区塘桥新路一门面店发生火灾。此次火灾导致该店铺3人遇难，2人受伤。起火原因系电动自行车锂电池在充电过程中故障起火引发火灾。
2021年1月25日，北京市一民房发生火灾，导致一对年轻的夫妻身亡。经调查，原因为携带电动自行车蓄电池回家充电所致。
上述火灾的起火源均为锂离子电池。
二、锂离子电池的构造和工作原理
锂离子电池主要由正极、负极、隔膜和电解液组成。正极层和负极层紧密地卷在一起。各层之间用绝缘体隔开。正极和负极都浸在电解液中。锂离子电池是以碳材料为负极，通常 是石墨;以含锂化合物为正极，没有金属锂，只有锂离子。锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，其工作原理是利用电子的得失和锂离子的迁移聚集来实现电能的存储。当电池充电时，锂离子在电池的正极上产生，产生的锂离子通過电解液移动到负极。作为负极，碳具有多微孔的层状结构。到达负极的锂离子嵌入到碳层的微孔中。嵌入锂离子越多，充电容量越大。类似的，当电池放电时，即在使用电池的过程中，嵌在负极碳层中的锂离子出来并移回正极。锂离子返回正极越多，放电容量越大。电极材料决定电池的电压和容量。电解液作为锂离子电池的重要组成部分，在电池充放电过程中起着传递电流的重要作用。为了防止浸泡在电解液中的正负极材料相互接触而发生短路，采用聚烯烃分离器将正负极材料分开。
三、锂电池的火灾危险性
（一）锂电池中的锂金属化学性质十分活跃，是易燃物质。经过处理后会降低活性。在锂电池正负极之间，还有一层金属薄膜，可以防止电池内部短路。而电池都是密封的，锂离子根本没有机会和空气直接接触，从而有效保证了电池的安全。但是如果电池受到外界撞击，密闭性被破坏，和空气接触，就会跟空气中的水发生猛烈的化学反应，瞬间产生大量的氢气，并释放出热能，极易引起燃烧和爆炸。
（二）锂电池的充放电就是锂离子的来回转移，在充电的过程中锂离子被还原成金属锂键入负极，一般情况下，锂会嵌入层间结构中。但由于生长的不确定性，锂可能会在电极表面生长，并且生长层像树枝一样的刺状结构（锂枝晶），它会破坏电池内部的隔膜，引起电池内部短路和电池爆炸。
（三）如果电池隔膜在生产过程中存在缺陷，金属锂颗粒穿过电池中的隔膜绝缘层便将正负极连接起来形成短路，改变了电流的方向，就会产生大量的热量，这些热量会降解内部的材料，使化学反应失去控制，释放更多的热量，进而引燃电池组件。
（四）锂电电池中的保护系统或者电池充电器损坏时，一旦充电电压高于额定电压（一般是4.2V），继续充电就会导致过充现象。此时，剩余在阴极材料中的锂离子继续被去除并嵌入到阳极材料中。如果达到碳阳极的最大嵌锂容量，多余的锂会以金属锂的形式沉积在阳极材料上，这大大降低了电池的稳定性，有时还会导致爆炸。
在行业快速发展的情况下，一些锂电池生产企业由于粗制滥造和打产品价格战，以及对电动自行车等电动工具进行非法改装，忽视了对电池的保护，这也为锂电池的安全使用埋下了隐患。
四、锂电池安全使用的解决方案
（一）对于锂电生产厂家来说，优质的锂电池采用坚固的外壳防护，通常配以不锈钢外壳和铝合金外壳，甚至采用了钛合金防护板，以防止使用中对电池容器产生损伤。
（二）锂电池内部电芯如果出现内短路，会导致温度升高、电芯内部反应产热最终出现热失控，随后蔓延到整个电池包。电芯安全解决的是电池本质安全，通过上面的分析，应重点研究电池隔膜应用，如凝胶电解质和聚合物电解质，特别是聚合物电解质的开发，使电池没有液体有机电解质挥发，加强电池内部隔膜牢固度，并最大限度消除隔膜缺陷，提高电池的安全性稳定性。
（三）在锂电池充电时，一定要设定电压上限和过充保护，当电压超标或电量充满时自动断电，一般的做法是在电池的安全帽内安装PTC聚合物开关或防爆安全阀等措施，这类防过充电子保护装置，在国家强制标准中得到应用。
（四）目前，锂电池安全的共识已从单一安全转向系统安全，提高电池组的安全性能已成为业界的主流趋势。全包安全是以系统的思想解决从单元、模块到系统的全方位安全问题。
它不仅是一个纯粹的结构优化，也不是一个简单地增加隔热。它是一套从小区本身到被动安全增强，再到软件主动防控的安全技术。它也是一种软硬件集成、超高防御能力的智能安全技术。基于“防止电池内短路、防止短路后热失控、防止热失控后热蔓延”的设计思想，采用类似安全舱的设计，有效地阻止了热失控电池的蔓延。当检测到电池电压或温度异常时，电池快速冷却系统会自动启动以冷却电池。合格的电子保护装置和成熟的电池管理系统大大降低了锂电池自燃的概率。
（五）锂电电池的使用环节，以电动自行车为例。锂电池电动车停放或充电时严禁置于室内、通道或楼梯间，要选择通风、散热好的环境进行充电;充电时间应按照产品说明书规范充电;充电线路要使用专用的固定电源进行充电，严禁私拉乱接线路，严禁飞线充电;选购电动车要选择大品牌、质量合格的正规产品。严禁私自改装电动车，定期对电动车进行维修和保养;要选择原装充电器，严禁使用劣质或不匹配的充电器。
五、锂电池的展望
高倍率和高容量以及良好的循环性能是锂电池的主要发展趋势，在保证安全性的条件下，通过制备工艺改进以及优化电池材料性能，对电池的冷却系统、电芯设计、整包布置等
方面进行全面优化，为实现锂电池高安全、高容量、高便利、低成本等商用目标具有重大的意义。
参考文献：
[1]高飞，杨凯，李大贺等.锂离子电池组件燃烧性及危险性评价[J].中国安全科学学报，2015，25（08）：62-67.
[2]张青松，戚瀚鹏，罗星娜等.电量影响下的锂离子电池热稳定性研究[J].消防科学与技术，2015，34（07）：847-849.
[3]张得胜，张良，陈克，等.电动汽车火灾原因调查研究[J].消防科学与技术，2014（09）：1091-1093.
作者简介：
庄军（1977.04—），男，汉族，上海人，本科学历，研究方向：消防监督。
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