鋰離子電池容易發生起火爆炸等事故，本質上還是由于其有機材料體系造成的。究其安全失效機制，可以分為內部因素和外部因素兩大類。

內部因素是指電池本身的材料組成、生產工藝等對電池安全性的影響；外部因素是指在使用過程中電池經受某些特殊的使用條件，如過充、擠壓等引發的電池熱失控，造成膨脹、冒煙甚至起火等。

鋰離子電池安全問題

鋰離子電池安全問題主要表現為：

·起火，直接燒傷人體，或對電池供電的電子產品造成著火危險；

·爆炸，直接危害人體，或損毀設備，并產生嚴重次生危害；

·過熱，直接對人體引起灼傷，或導致絕緣等級下降和安全元器件性能降低，或引燃可燃液體；

·漏液，可能會直接被人體接觸或吸人構成化學腐蝕危害，或導致電池供電的電子產品內部絕緣失效間接造成電擊、著火等危險；

·電擊，對于輸出電壓超過安全電壓限值的電池組，還可能引發電擊危險。

鋰離子電池失效產生途徑

鋰離子電池失效的產生主要有以下幾種途徑，如圖1所示：

圖1 鋰離子電池失效的產生途徑

第①種途徑：

第①種途徑主要與鋰離子電池的內部短路有關。鋰離子電池的內部短路是其安全問題的最重要誘因，大部分的安全問題都是由于內部短路引起的。內部短路是電池內的正負極短路，一般是由生產過程中混入的金屬雜質、電極金屬箔在剪切時造成的毛刺、使用過程中形成鋰枝晶以及受到擠壓等意外機械應力引起。內部短路時會產生大量的熱，從而引起安全問題，內部短路對電池電壓和溫度的影響見圖2。

圖2 內部短路對電池電壓和溫度的影響

在大多數情況下，鋰離子電池內部短路引起的安全問題表現為著火和爆炸危險，而普通的過熱危險一般被認為是可以接受的危險。

第②種途徑：

第②種途徑主要與電路故障有關，如圖3所示。為了對鋰離子進行充放電管理及安全保護，在使用電池的宿主設備或適配器中需要設計充放電管理電路，在部分設備內還有放電的負載電路。

圖3 可能會出現故障的電路

為了對鋰離子電池進行保護，在封裝過程中需要在電池組中加入保護電路板。這些電池組內部的或外部的電路都有可能出現故障，進而引起電池的過壓充電、過度充電、過度放電、外部短路、過載等電應力條件，這些條件也可能會導致過熱、著火、爆炸等危險。

在電應力條件中，過壓充電和過度充電會產生劇烈的副反應，產生大量的熱，從而導致熱失控；過度放電會導致電池的電壓低于廠商規定的放電截止電壓，此時的副反應主要為電解液的分解，產生大量的氣體導致外殼鼓脹破裂引發漏液；外部短路和過載則會使放電電流變大，從而使電池內部溫度或者外部導體的溫度劇增，引發熱失控。

第③種途徑：

第③種途徑主要與誤用、濫用有關。誤用和濫用包括在高溫下使用或存儲(如在車內)、用戶使用了錯誤的充電器(過壓充電)、極性反接充電、在攜帶過程中電池端子被外部的導體(金屬、溶液等)短路。這些誤用和濫用都可能造成電池發出大量的熱，甚至造成熱失控。

第④種途徑：

第④種途徑主要與電池外殼破裂有關。引起外殼破裂的誘因包括內部和外部應力。內部應力是指過度放電等副反應造成的內外壓差；外部應力是指運輸、使用過程中的正常的或者意外的機械應力，如振動、加速度沖擊、跌落等造成的外殼破裂。外殼破裂會使內部的電解液泄漏，從而引起危險。

第⑤種途徑：

第⑤種途徑主要與一致性有關。在由多節電池(電芯)通過串聯、并聯以及串并混聯構成的電池組中，電池之間的內阻、開路電壓、容量的一致性會造成對電池組內部的某一電池或電池并聯塊的過壓充電、欠壓放電等，從而引起安全問題。

某鋰電池失效原因分析

造成鋰離子電池失效的原因很多，不同原因可能會造成同一結果和現象，且有些是直接原因，有些是間接原因，故進行鋰離子電池失效分析，應該對造成失效的各層級原因進行分析，排除可排除的因素，進而推導得出根本原因。

某鋰離子電池失效起鼓，首先可以分析，造成電池起鼓的直接原因是由于電解液的分解，在密封的電池內部產生了氣體，造成電池鼓脹。造成電解液分解的原因有很多，所有可能的因素如圖4所示，顯然電解液受熱分解是最主要的可能原因。

使電解液受熱分解的高溫，可能來自于電池過載、外部短路、高溫以及電池的內部短路。如果失效前的場景應用能夠排除前面三項目，則最可能的原因是電池內部短路。

圖4 某電池鼓脹原因推導

造成電池內部短路同樣有鋰枝晶、毛刺和金屬雜質等幾種可能。需要對其可能性與成因進行進一步分析。以鋰枝晶析出為例，鋰枝晶的析出直接原因可能是電池材料不良所致，也有可能是負極析鋰后，鋰金屬沿著隔膜空隙生長，接觸正極便形成了鋰枝晶。負極析鋰的原因可能包括充電倍率過高，或者在過低溫度下的充電。即電池充電溫度、電流管理不當，這種不恰當是由于保護電路問題(沒有設計或者設計不當)、系統充電電路問題(故障或者設計不當)以及用戶使用環境問題綜合造成的。

總結：通過上述案例，從現象到原因的逐層分析表明，電池失效有其根本原因，也有表面原因。某一個因素又可能由多種原因造成，需要用對應的方法和技術手段排除次要原因或者無關原因，從而找到主要原因，最終定位到根本原因，例如某種設計缺陷。對失效根本原因作出針對性的改善，才能真正提升產品安全性。

參考：謝志利等《常見電子產品用鋰離子電池失效原因分析》

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