鋰離子電池的安全問題是關(guān)乎到使用者生命財(cái)產(chǎn)安全的重要問題，因此無論我們追求多么高的性能指標(biāo)，安全永遠(yuǎn)是我們無法回避，也不應(yīng)回避的問題。熱失控是鋰離子電池最為嚴(yán)重的安全事故，熱失控會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池起火、爆炸，嚴(yán)重威脅使用者的生命和財(cái)產(chǎn)安全，因此鋰離子電池在設(shè)計(jì)的時(shí)候就要充分考慮安全問題。

熱失控主要是由于內(nèi)短路、外短路導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)在鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱量，引發(fā)了正負(fù)極活性物質(zhì)和電解液的分解，導(dǎo)致鋰離子電池起火和爆炸。不同種類的電池材料熱穩(wěn)定性不同，在熱失控中產(chǎn)熱也不相同，下圖為鋰離子電池內(nèi)部常見材料的DSC測(cè)試結(jié)果，首先我們以左下角的Li4Ti5O12材料為例介紹這張圖的看圖方法，首先我們看到圖中LTO的Q表示LTO材料的放熱速率，H表示LTO總的放熱量，從左到右的三個(gè)溫度分別為Tonset觸發(fā)溫度，Tpeak峰值溫度，Tend最終溫度，也就是說下圖中越靠近右下角的材料熱穩(wěn)定性越好，產(chǎn)熱越少，自身“彩色塊”高度越低則產(chǎn)熱功率越小，這張圖片讓我們更加生動(dòng)的看到常見的鋰離子電池材料的熱穩(wěn)定性，從而為我們?cè)阡囯x子電池設(shè)計(jì)中提供一些參考。

雖然針對(duì)鋰離子電池材料的熱穩(wěn)定的研究很多，但是針對(duì)全電池?zé)岱€(wěn)定性的研究卻并不多，近日清華大學(xué)的何向明課題組利用加速量熱法ARC和差示掃描量熱法DSC對(duì)采用不同材料的鋰離子電池在熱失控中的熱量來源進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)中共對(duì)4種類型的鋰離子電池進(jìn)行了研究，4種電池的信息如下表所示。

四種電池在加速量熱法ARC測(cè)試中溫度、電壓和內(nèi)阻的變化如下圖所示（所有的電池在測(cè)試之前均充電到100%SoC）。首先，我們來看一下第1種電池，從下圖a中我們可以看到該電池在100℃時(shí)電池開始自發(fā)熱，在247℃時(shí)電池發(fā)生熱失控，溫度突然升高到866.3℃。和向明團(tuán)隊(duì)將整個(gè)熱失控過程分為四個(gè)部分：

i.第1階段從100℃開始，并在134.8℃結(jié)束，在此過程中SEI膜的分解和正極材料的自放電是主要的熱量來源。

ii.第2階段是從134.8℃開始，173.4℃結(jié)束。在此過程中隔膜開始破壞，電池電壓開始下降，電池的溫度升高速率明顯加速，并在173.4℃時(shí)最終發(fā)生內(nèi)短路，電壓下降到0V，該過程中內(nèi)短路是主要的熱量來源。

iii.第3階段從173.4℃開始，247℃結(jié)束，最終引發(fā)熱失控。此過程正負(fù)極材料的分解是主要的熱量來源。

iv.第4階段從247℃開始，在886.3℃結(jié)束，電池的熱失控主要發(fā)生在這一階段。在此階段，正負(fù)極材料與電解液之間的反應(yīng)也被觸發(fā)，導(dǎo)致電池產(chǎn)生更多的熱量。

對(duì)于第2種電池，電池從100℃開始自發(fā)熱，在208.8℃時(shí)發(fā)生熱失控，并最終達(dá)到367.8℃。該電池的熱失控同樣被分為四個(gè)階段，如下所示。

i.第1階段，從100℃開始，155.7℃結(jié)束，此過程中SEI膜的分解和正極的自放電是主要的熱量來源。

ii.第2階段從155.7℃開始，在170.3℃結(jié)束，這一階段的熱量來源主要是負(fù)極與電解液的反應(yīng)。

iii.第3階段從170.3℃開始，在212℃結(jié)束，此階段中，隔膜開始收縮，電壓開始下降。這一階段的主要熱量來源為內(nèi)短路和負(fù)極的放熱反應(yīng)。

iv.第4階段從212.4℃開始，在367.9℃結(jié)束。此階段中隔膜被破壞，導(dǎo)致嚴(yán)重的內(nèi)短路，電池溫度快速攀升，同時(shí)根據(jù)正負(fù)極的DSC測(cè)試數(shù)據(jù)，可以判斷LFP正極和MCMB負(fù)極在此階段也放出了大量的熱量。

第3種電池在85℃開始自發(fā)熱，并在190.6℃發(fā)生了熱失控，最高溫度達(dá)到了634.6℃。第3種電池的反應(yīng)被分為了兩個(gè)階段，如下所示。

i.第1階段從85℃開始，在190.6℃結(jié)束。第3種電池的負(fù)極從85攝℃開始發(fā)生放熱反應(yīng)，這要比第1和第2種電池要低的多，同時(shí)由于隔膜表面沒有涂層，隔膜開始融化后很快就導(dǎo)致了嚴(yán)重的內(nèi)短路的發(fā)生。

ii.第2階段從190.6℃開始，最終電池達(dá)到634.6℃，在這一階段中電池?zé)崃恐饕獊碜哉龢O、負(fù)極與電解液之間的反應(yīng)。

第4種電池在116.5℃開始自發(fā)熱，電池在熱失控中的最高溫度達(dá)到215.5℃，整個(gè)過程也可以被分為兩個(gè)過程。

i.第1階段從116.5℃開始，192.8℃結(jié)束，在此過程中熱量主要來自正負(fù)極材料與電解液之間的反應(yīng)。

ii.第2階段從192.8℃開始，在215.5℃結(jié)束，在此過程中電池的溫升速率明顯持續(xù)下降，說明此時(shí)正負(fù)極的分解在此階段逐漸停止。

由于DSC的測(cè)試表明涂層隔膜的破壞溫度達(dá)到290℃，因此第4種電池在ARC測(cè)試中不會(huì)發(fā)生內(nèi)短路，因此第4種電池在測(cè)試中熱量主要來自正負(fù)極材料與電解液之間的反應(yīng)。

四種電池在測(cè)試中的一些數(shù)據(jù)如下表所示。

從上面的測(cè)試結(jié)果，我們看到鋰離子電池的熱穩(wěn)定性與正負(fù)極材料、隔膜都有著密切的關(guān)系，對(duì)于第1和第3種電池由于嚴(yán)重的內(nèi)短路引起正負(fù)極材料的劇烈反應(yīng)導(dǎo)致熱失控，電池在整個(gè)過程放出大量的熱量，甚至要比儲(chǔ)存在鋰離子電池內(nèi)部的電能還要多。而第2種電池的熱失控則要溫和的多，第4種電池在熱失控根本就沒有發(fā)生內(nèi)短路，因此第2和第4種電池在測(cè)試中放出的熱量要明顯的少于儲(chǔ)存在電池中的電能。因此，如何避免嚴(yán)重的內(nèi)短路發(fā)生是提高鋰離子電池?zé)岱€(wěn)定性的關(guān)鍵。