鋰電池典型事故與安全關注

文/許鋌

鋰電池為生產和生活帶來了極大的便利，但在各種應用場景下事故的發生，也讓其安全問題引發重點關注。本文通過案例分析，介紹鋰電池的構成與特性、生產安全、使用安全，以及應急處置等內容。

鋰電池是指以鋰或含鋰化合物為正負極材料，使用非水電解質的電池，通?？煞譃殇囯x子電池和鋰金屬電池。隨著世界能源的緊缺和綠色環保的壓力，以及人們對于電池的要求越來越高，鋰電池以其特有的優勢，得以迅速推廣和產業化應用。尤其是近二十年來，便攜式、小型化的電子設備增多，更加豐富了鋰電池的應用場景，促進了產業發展。但是，近年來一系列事故的發生，讓人們越來越多地關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，機艙便發生火警，飛行員迅速啟動了艙內滅火系統，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，正副機長喪生。事故調查發現，飛機上有大量鋰電池產品，其中部分產品無法提供滿足要求的測試證明。

高附加值的電子產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、循環壽命長、無記憶效應等優點，是電子產品不可或缺部件。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的要求。

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。該新品手機發布后短短一個月，全球范圍內發生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和銷售，并召回市面上的手機，總計損失超170 億美元。事后調查認為，設計師為追求電池的極致性能，讓電池盡可能地大，而手機的設計則偏緊湊；在這一松一緊之間，由于這種過于激進的設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進行處置過程中，電站北區在毫無征兆的情況下突發爆炸，當時導致2 名消防員犧牲，1 名消防員受傷，電站內1名員工失聯。

鋰電芯針刺試驗

儲能電站的特點是結構復雜、電壓高、能量大，一旦發生事故后果嚴重。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生不可逆的放熱反應，大量電池失效后釋放易燃氣體積聚在有限空間內，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、長續航作為賣點時，產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較高，如無重大技術創新，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。在產品設計上，應充分考慮安全性，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場。據現場工人介紹，疑似鋰電池短路引發起火，現場用水滅火過程中似有鞭炮聲。

鋰電池生產企業發生火災事故屢見不鮮。生產車間應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，生產過程中產生的廢料，以及存在安全缺陷的電池應及時處理。

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，各類媒體經常報道新能源汽車自燃事故，但是，汽車發生爆炸、解體的卻不多見。經此案例，新能源汽車在電池熱失控蔓延、系統散熱設計、線路線纜鋪設、電池結構以及整車防護等方面的設計是否應進一步改進，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

鋰電池安全關注

鑒于鋰電池的種種表現，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，不同的正極材料可能會與電解液發生作用，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可快速分解，產生大量氣體和更多的熱量，從而導致電池內壓急劇上升，進而可能引起爆炸。在運輸領域，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，業界一直圍繞著開發新型電極材料，持續不斷地研究其結構—組分—性能—安全之間的關系。結構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、內阻、充放電循環性能、倍率性能、高低溫性能等。綜合運用恰當的方法獲得鋰電池相關信息，可以指導設計、制備和改性處理，從而獲得更優的產品。

安全一直是鋰電池行業關注的焦點。如何生產出合格的鋰電池產品，質量管控是關鍵。鋰離子電池芯典型的生產流程可簡單地分為：配料、涂布、輥壓、分切、卷繞、焊接、注液、封裝、化成和特性檢查等，每一個環節都影響到產品的質量。

比如卷繞工序，它是電池芯生產的核心工序，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，瞬間產生高溫，可燒穿焊接部位，容易形成毛刺，可能會導致內部短路。

此外，鋰電池生產安全也備受關注。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，在某些特殊工藝條件下，有潛在火災風險。生產過程中適時檢測一些關鍵指標，可有效降低事故發生概率。

為了確保鋰電池的使用安全，人們設計了許多測試條件來模擬不同的應用場景。以運輸領域中最常用的標準——聯合國《試驗和標準手冊》為例，它規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，考核電池的結構強度。持續強烈的振動所形成的交變應力能使結構產生累積疲勞，最后表現為變形、破損或斷裂，造成產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生外部短路及內部短路等情況，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部來模擬和評估短路發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，觸發內部短路，研究電池熱失控情況；有的通過棒—平板擠壓制造有效的內部短路，觀察電池是否有高溫、起火、爆炸等現象，評估電池的安全性。所有的這些設計，都是為了盡可能多地模擬實際使用環境，確保電池使用安全。

盡管鋰電池產品在設計上追求本質安全，也設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生。面對事故，該如何確保應急安全？鋰電池是一個比較特殊的產品，其電極材料分別具氧化性與還原劑性，一旦電池發生熱失控，會產生更大量的熱和氣體，加速熱失控。因此，采用常規的如隔絕氧氣等滅火措施效果不佳。

當鋰電池發生熱失控后，應先做好物理隔離，最好能一并切斷電氣連接，將影響控制在最小范圍內。同時，應確保有效降溫。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。

除了事后的應對，早期的監測也是非常關鍵。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鍵信號，可增加相應的傳感器，提前發出預警，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，安全一直是業界關注的焦點。我們要善于從事故中吸取教訓，不斷改善產品本質安全、生產過程安全、使用安全、應急處置等，有效降低事故風險。