鋰離子電池的安全性問題，其內在原因是電池內部發生了熱失控，熱量不斷的累積，造成電池內部溫度持續上升，其外在的表現是燃燒、爆炸等劇烈的能量釋放現象。

電池是能量的高密度載體，本質上就存在不安全因素，能量密度越高的物體，其能量劇烈釋放時的影響就越大，安全問題也越突出。汽油、天然氣、乙炔等高能量載體，也都存在同樣的問題，每年發生的安全事故，數不勝數。

不同的電化學體系、不同的容量、工藝參數、使用環境、使用程度等，都對鋰離子電池的安全性有較大的影響。

由于電池存儲能量，在能量釋放的過程中，當電池熱量出現和累積速度大于散熱速度時，電池內部溫度就會持續升高。鋰離子電池由高活性的正極材料和有機電解液組成，在受熱條件下非常容易發生劇烈的化學副反應，這種反應將出現大量的熱，甚至導致的熱失控，是引發電池發生危險事故的重要原因。

鋰離子電池內部的熱失控，說明電池內部的一些化學反應已經不是我們此前所期待的可控和有序，而是呈現出不可控和無序的狀態，導致能量的快速劇烈釋放。

那么，我們來看看，都有什么化學反應，會伴隨大量的熱出現，進而導致熱失控。

1.SEI膜分解，電解液放熱副反應

固態電解質膜實在鋰離子電池初次循環過程中形成，我們既不希望SEI膜太厚，也不希望它完全不存在。合理的SEI膜存在，能夠保護負極活性物質，不跟電解液發生反應。

可是當電池內部溫度達到130℃左右時，SEI膜就會分解，導致負極完全裸露，電解液在電極表面大量分解放熱，導致電池內部溫度迅速升高。

這是鋰離子電池內部第一個放熱副反應，也是一連串熱失控問題的起點。

2.電解質的熱分解

由于電解質在負極的放熱副反應，電池內部溫度不斷升高，進而導致電解質內的LiPF6和溶劑進一步發生熱分解。

這個副反應發生的溫度范圍大致在130℃~250℃之間，同樣伴隨著大量的熱出現，進一步推高電池內部的溫度。

3.正極材料的熱分解

隨著電池內部溫度的進一步上升，正極的活性物質發生分解，這一反應一般發生在180℃~500℃之間，并伴隨大量的熱和氧氣出現。

不同的正極材料，其活性物質分解所出現的熱量是不同的，所釋放的氧氣含量也有所不同。磷酸鐵鋰正極材料由于分解時出現的熱量較少，因而在所有的正極材料中，熱穩定性最為突出。鎳鈷錳三元材料分解時則會出現較多的熱量，同時伴有大量的氧氣釋放，容易出現燃燒或爆炸，因此安全性相對較低。

4.粘結劑與負極高活性物質的反應

負極活性物質LixC6與PVDF粘結劑的反應溫度約從240℃開始，峰值出現在290℃，反應放熱可達1500J/g。

由以上分析可以看出，鋰離子電池的熱失控，并不是瞬間完成的，而是一個漸進的過程。這個過程，一般由過充、大倍率充放電、內短路、外短路、振動、碰撞、跌落、沖擊等原因，導致電池內部短時間內出現大量的熱，并不斷的累積，推動電池的溫度不斷上升。

一旦溫度上升到內部連鎖反應的門檻溫度（約130℃），鋰離子電池內部將會自發的出現一系列的放熱副反應，并進一步加劇電池內部的熱量累積和溫度上升趨勢，這一過程還會析出大量的可燃性氣體。當溫度上升到內部溶劑和可燃性氣體的閃點、燃點時，將會導致燃燒和爆炸等安全事故。

剛出廠的鋰離子電池通過安全測試認證，并不代表鋰離子電池在生命周期中的安全性。根據我們前面的分析，在長期的使用過程中，會發生負極表面的鋰金屬沉積，電解液的分解和揮發，正負極活性物質的脫落，電池內部結構變形，材料中混入金屬雜質，以及其他很多非預期的變化，這些都會導致電池發生內短路，進而出現大量的熱量。再加上外部的各種濫用情況，如過充、擠壓、金屬穿刺、碰撞、跌落、沖擊等，也會導致電池在短時間內出現大量的熱量，成為熱失控的誘因。

在鋰離子電池的使用過程中，沒有絕對的安全性，只有相對的安全性。我們要盡量防止濫用的情況出現，降低危害事件發生的概率，同時也要從正負極材料、電解液、隔離膜等重要成分入手，選擇化學穩定性和熱穩定性優良的材料，具有良好的阻燃特性，在出現內外部熱失控的誘因時，降低內部副反應的發熱量，或者具有很高的燃點溫度，防止熱失控現象的發生。在電池結構和殼體設計上面，要充分考慮結構穩定性，達到足夠的機械強度，能夠耐受外部的應力，確保內部不發生明顯的變形。此外，散熱性能也是要著重考慮的，假如熱量能夠及時的散發出去，內部的溫度就不會持續上升，熱失控也就不會發生。

鋰離子電池的安全性設計，是系統論，單純的以正極材料分解發熱來衡量鋰離子電池安全性并不全面。從系統的角度講，磷酸鐵鋰離子電池不見得一定比三元材料的電池更安全，因為最終影響熱失控的因素很多，正極材料分解所出現的熱量僅僅是其中的一個因素。

九、總結與展望

大約在135億年前，經過所謂的大爆炸之后，宇宙中的物質、能量、時間和空間形成了現在的樣子。宇宙的這些基本特點，就成了物理學。

在這之后過了大約30萬年，物質和能量開始形成復雜的結構，稱為原子，再進一步構成分子。至于這些原子和分子的故事以及它們如何互動，就成了化學。

所有有關電池的原理，都得通過物理學和化學的理論來闡述，并受到客觀規律的制約，脫離了這個范疇，我們既不可能發明電池，也不可能正確使用電池。

人類對電池的研究和使用已經有近200年的歷史，在大規模的商業化應用方面，鉛酸電池、堿性電池、鋅錳電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池早已滲透到人類社會的方方面面，在支持工業化社會的正常運作方面，起著無可替代的用途。

人類對能量進行移動存儲的追求，隨著經濟規模的擴大，呈現快速上升的趨勢，這也在客觀上推動了電池技術的發展和變革，要做到更快、更強、更長壽、更安全、更環保，同時單位價格還要更便宜。

自SONY在90年代將鋰離子電池商業化以來，經過20多年的發展，現有的電化學體系已經逐步接近了瓶頸，未來將逐步進入后鋰離子電池時代。市場的強勁需求，必將推動和催生新的材料、新的化學體系、新的工藝在電池領域的應用，從而實現大的突破。

在電池產業，新的研究方向層出不窮，而比較有希望商業化的方向，比如全固態鋰離子電池、鈉離子電池、鋰-硫電池、鋰空氣電池等。后鋰離子電池時代，將會是百花齊放、百家爭鳴的局面，市場需求的多樣性，技術路線的多樣性，再結合原料供應的地緣因素，將給我們帶來更多的選擇和更好的體驗。