文/許鋌

鋰電池為生產(chǎn)和生活帶來了極大的便利，但在各種應(yīng)用場景下事故的發(fā)生，也讓其安全問題引發(fā)重點關(guān)注。本文通過案例分析，介紹鋰電池的構(gòu)成與特性、生產(chǎn)安全、使用安全，以及應(yīng)急處置等內(nèi)容。

鋰電池是指以鋰或含鋰化合物為正負極材料，使用非水電解質(zhì)的電池，通常可分為鋰離子電池和鋰金屬電池。隨著世界能源的緊缺和綠色環(huán)保的壓力，以及人們對于電池的要求越來越高，鋰電池以其特有的優(yōu)勢，得以迅速推廣和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。尤其是近二十年來，便攜式、小型化的電子設(shè)備增多，更加豐富了鋰電池的應(yīng)用場景，促進了產(chǎn)業(yè)發(fā)展。但是，近年來一系列事故的發(fā)生，讓人們越來越多地關(guān)注鋰電池的安全問題。

不同場景鋰電池事故案例

鋰電芯過充電試驗

案例一：2010 年9 月3 日，注冊號為N571UP 的UPS 航空6 號班機從香港國際機場經(jīng)停迪拜飛往科隆/波恩機場。該班機從迪拜起飛后不久，機艙便發(fā)生火警，飛行員迅速啟動了艙內(nèi)滅火系統(tǒng)，但火勢的蔓延遠遠超出預料，濃煙更是直接威脅到駕駛安全。最終，飛機錯過了進場航線，墜毀在兩條高速路之間的一處無人區(qū)，正副機長喪生。事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，飛機上有大量鋰電池產(chǎn)品，其中部分產(chǎn)品無法提供滿足要求的測試證明。

高附加值的電子產(chǎn)品是航空貨運的主要運載對象，由于鋰電池具有放電平臺高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，是電子產(chǎn)品不可或缺部件。但未通過測試認證的鋰電池，無法滿足安全運輸要求。本次事故之后，國際民航組織進一步限制了鋰電池例外條件，更加嚴格了對鋰電安全航空運輸?shù)囊蟆?/p>

案列二：2016 年，某國際知名品牌手機鋰電池爆炸事件影響重大。該新品手機發(fā)布后短短一個月，全球范圍內(nèi)發(fā)生35 起因電池缺陷造成的爆炸和起火事故。最終該公司宣布暫停生產(chǎn)和銷售，并召回市面上的手機，總計損失超170 億美元。事后調(diào)查認為，設(shè)計師為追求電池的極致性能，讓電池盡可能地大，而手機的設(shè)計則偏緊湊；在這一松一緊之間，由于這種過于激進的設(shè)電池直流光儲充一體化電站項目起火。消防員在對電站南區(qū)進行處置過程中，電站北區(qū)在毫無征兆的情況下突發(fā)爆炸，當時導致2 名消防員犧牲，1 名消防員受傷，電站內(nèi)1名員工失聯(lián)。

鋰電芯針刺試驗

儲能電站的特點是結(jié)構(gòu)復雜、電壓高、能量大，一旦發(fā)生事故后果嚴重。單顆鋰電池芯的電壓每臺平均為3 ～4 V，需要串聯(lián)幾百級的電池芯才能達到儲能電站的使用要求，這對電池管理系統(tǒng)提出了更高的要求。在長期使用過程中，由于電池芯的劣化情況不同，更易導致電池芯的不平衡，極端情況下某些電池芯會產(chǎn)生不可逆的放熱反應(yīng)，大量電池失效后釋放易燃氣體積聚在有限空間內(nèi)，極易造成燃爆事故。計，隱患近在咫尺。

當制造商競相把超輕薄、長續(xù)航作為賣點時，產(chǎn)品安全性往往會受到忽視。目前，高端智能手機使用的鋰電池能量密度已經(jīng)較高，如無重大技術(shù)創(chuàng)新，很難有較大突破。而安全與性能，恰恰是矛盾的。追求極致性能的同時，安全性卻下降了。在產(chǎn)品設(shè)計上，應(yīng)充分考慮安全性，并進行足夠的測試驗證。

案例三：2018 年8 月22 日凌晨，東莞塘廈某公司車間發(fā)生火災，濃煙滾滾，并伴隨刺鼻的焦煳味。塘廈消防大隊接警后迅速出動趕赴現(xiàn)場。據(jù)現(xiàn)場工人介紹，疑似鋰電池短路引發(fā)起火，現(xiàn)場用水滅火過程中似有鞭炮聲。

鋰電池生產(chǎn)企業(yè)發(fā)生火災事故屢見不鮮。生產(chǎn)車間應(yīng)采用合適的工藝條件控制，物料、半成品、成品倉庫等都需要重點防護。此外，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢料，以及存在安全缺陷的電池應(yīng)及時處理。

案例四：2020 年8 月20 日，福建三明市某品牌新能源汽車?？坑诔潆娬局?，先是車身周圍濃煙滾滾，隨后在消防人員持續(xù)向車輛射水時，該車突然爆炸，車輛解體的同時還炸穿充電站頂棚，車門、后備箱蓋等零部件散落一地。

近年來，各類媒體經(jīng)常報道新能源汽車自燃事故，但是，汽車發(fā)生爆炸、解體的卻不多見。經(jīng)此案例，新能源汽車在電池熱失控蔓延、系統(tǒng)散熱設(shè)計、線路線纜鋪設(shè)、電池結(jié)構(gòu)以及整車防護等方面的設(shè)計是否應(yīng)進一步改進，成為了需要思考的命題。

案例五：2021 年4 月16 日下午，北京集美大紅門25 MWh 磷酸鐵鋰

鋰電池安全關(guān)注

鑒于鋰電池的種種表現(xiàn)，有人形象地將其戲稱為“炸彈”，可見其威力和安全風險不可小覷。鋰電池一般由正極、負極、電解液、隔膜、外殼等組成。以鋰離子電池為例，其正極一般都是由含鋰的活性物質(zhì)與具有防爆、阻燃的添加劑組成的混合物涂布在鋁箔上。目前，使用較多的活性物質(zhì)有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、磷酸鐵鋰等。研究表明，在130 ～150 ℃溫度范圍內(nèi)，不同的正極材料可能會與電解液發(fā)生作用，從而導致危險。

負極主要是將石墨(納米級碳粉)涂布在銅箔上。電解液溶劑一般選用碳酸酯類有機溶劑，如碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)等。這類有機物的閃點很低，沸點也較低，當電池過熱時，電解液中的碳酸酯類物質(zhì)可快速分解，產(chǎn)生大量氣體和更多的熱量，從而導致電池內(nèi)壓急劇上升，進而可能引起爆炸。在運輸領(lǐng)域，鋰電池一般歸為第9 類雜項危險品，其危險性可見一斑。

自鋰電池誕生那一刻開始，業(yè)界一直圍繞著開發(fā)新型電極材料，持續(xù)不斷地研究其結(jié)構(gòu)—組分—性能—安全之間的關(guān)系。結(jié)構(gòu)表征方法有掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、X 射線衍射(XRD)等；組分及官能團分析方法有X 射線光電子能譜(XPS)、X 射線吸收光譜(XAS)、電子能量損失譜(EELS)、電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、拉曼光譜、核磁共振(NMR)等；性能主要指標有電壓、電化學阻抗、內(nèi)阻、充放電循環(huán)性能、倍率性能、高低溫性能等。綜合運用恰當?shù)姆椒ǐ@得鋰電池相關(guān)信息，可以指導設(shè)計、制備和改性處理，從而獲得更優(yōu)的產(chǎn)品。

安全一直是鋰電池行業(yè)關(guān)注的焦點。如何生產(chǎn)出合格的鋰電池產(chǎn)品，質(zhì)量管控是關(guān)鍵。鋰離子電池芯典型的生產(chǎn)流程可簡單地分為：配料、涂布、輥壓、分切、卷繞、焊接、注液、封裝、化成和特性檢查等，每一個環(huán)節(jié)都影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。

比如卷繞工序，它是電池芯生產(chǎn)的核心工序，主要是把正、負極與隔膜卷繞在一起形成卷芯。但卷繞過程中，可能由于金屬異物或切割碎屑等掉入，或者電極涂層脫落、隔膜破損等，導致電池芯內(nèi)部短路或微短路，因此卷芯的絕緣性能檢測就必不可少。

再比如焊接工序，當焊接功率不足時，電池受到振動或沖擊后可能會脫焊，導致電池斷路無法輸出電流；當焊接功率太大時，瞬間產(chǎn)生高溫，可燒穿焊接部位，容易形成毛刺，可能會導致內(nèi)部短路。

此外，鋰電池生產(chǎn)安全也備受關(guān)注。鋰電池的正負極材料大部分為超細粉料，特別是負極粉料(含有碳粉)，可在空氣中懸浮，有爆炸風險；電池原材料中有部分是可燃物質(zhì)，在某些特殊工藝條件下，有潛在火災風險。生產(chǎn)過程中適時檢測一些關(guān)鍵指標，可有效降低事故發(fā)生概率。

為了確保鋰電池的使用安全，人們設(shè)計了許多測試條件來模擬不同的應(yīng)用場景。以運輸領(lǐng)域中最常用的標準——聯(lián)合國《試驗和標準手冊》為例，它規(guī)定了一系列的測試模擬鋰電池運輸過程。

比如真空測試，模擬5 萬英尺(約1.5 萬m)高空條件下的負壓環(huán)境，用以評估電池的密封安全性。再比如振動測試，可用于模擬各種振動工況，考核電池的結(jié)構(gòu)強度。持續(xù)強烈的振動所形成的交變應(yīng)力能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生累積疲勞，最后表現(xiàn)為變形、破損或斷裂，造成產(chǎn)品性能失效或安全失效。

此外，針對電池在搬運、組裝過程中可能會發(fā)生外部短路及內(nèi)部短路等情況，眾多學者紛紛提出各種測試方法，有的用金屬針刺穿電池內(nèi)部來模擬和評估短路發(fā)生時電池的安全耐用性；有的在電池卷芯中植入記憶合金或金屬顆粒，觸發(fā)內(nèi)部短路，研究電池熱失控情況；有的通過棒—平板擠壓制造有效的內(nèi)部短路，觀察電池是否有高溫、起火、爆炸等現(xiàn)象，評估電池的安全性。所有的這些設(shè)計，都是為了盡可能多地模擬實際使用環(huán)境，確保電池使用安全。

盡管鋰電池產(chǎn)品在設(shè)計上追求本質(zhì)安全，也設(shè)計了各種嚴苛的濫用模擬試驗，但在實際使用過程中事故仍有發(fā)生。面對事故，該如何確保應(yīng)急安全？鋰電池是一個比較特殊的產(chǎn)品，其電極材料分別具氧化性與還原劑性，一旦電池發(fā)生熱失控，會產(chǎn)生更大量的熱和氣體，加速熱失控。因此，采用常規(guī)的如隔絕氧氣等滅火措施效果不佳。

當鋰電池發(fā)生熱失控后，應(yīng)先做好物理隔離，最好能一并切斷電氣連接，將影響控制在最小范圍內(nèi)。同時，應(yīng)確保有效降溫。對于鋰離子電池而言，大量水是一個不錯的選擇，必要時可將電池完全浸沒在大量水中。

除了事后的應(yīng)對，早期的監(jiān)測也是非常關(guān)鍵。比如電池電壓異常波動，溫度急劇升高，冒出大量煙霧等，都是電池熱失控前的關(guān)鍵信號，可增加相應(yīng)的傳感器，提前發(fā)出預警，采取措施。

鋰電池給我們的生活帶來了極大的便利，但由于其特性，安全一直是業(yè)界關(guān)注的焦點。我們要善于從事故中吸取教訓，不斷改善產(chǎn)品本質(zhì)安全、生產(chǎn)過程安全、使用安全、應(yīng)急處置等，有效降低事故風險。