隨著電子設(shè)備制造商繼續(xù)拋棄電源線，允許不受限制的移動(dòng)電源，鋰離子 （Li-ion） 電池組的需求空前高漲。隨著技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)備變得越來越耗電，電池制造商正在開發(fā)和推出更高容量和更高功率的電池。更高容量的電池組發(fā)生故障的可能性和嚴(yán)重程度都會(huì)增加，從而導(dǎo)致對(duì)確保這些電池組安全性的需求增加。

2000 年，鋰離子電池的銷售迅速開始取代鎳鎘和鎳氫電池等舊技術(shù)，成為首選的可充電電池技術(shù)，年銷售額貢獻(xiàn)了 2 GWh 的存儲(chǔ)量。1，2 十九年后，鋰離子電池每年增加的存儲(chǔ)量超過 120 GWh。2

鋰離子電池現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都需要更高的需求，因?yàn)樗鼈兲峁└吣芰棵芏群凸β瘦敵觥＝裉斓匿囯x子電池可以達(dá)到 700 Wh/L 和 330 Wh/kg。相比之下，大多數(shù)車輛中廣泛采用的鉛酸電池只能達(dá)到 110 Wh/L 左右。3

鋰離子電池改善了世界各地醫(yī)療患者、士兵和消費(fèi)者的生活。以前受電源線限制的患者現(xiàn)在可以享受改變生活的移動(dòng)性。一個(gè)典型的消費(fèi)者現(xiàn)在擁有比以往更多的移動(dòng)電子產(chǎn)品，所有這些都依賴鋰離子電池來安全有效地運(yùn)行。

如果設(shè)計(jì)和實(shí)施得當(dāng)，鋰離子電池組是安全可靠的。4 但是，如果設(shè)計(jì)或制造不當(dāng)，這些電池組可能會(huì)變得危險(xiǎn)。此外，機(jī)械濫用會(huì)導(dǎo)致電池組中的電池出現(xiàn)凹痕，或者更糟的是，刺破電池組可能會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的結(jié)果。

鋰離子電池具有有機(jī)液體電解質(zhì)，其中含有離子，允許電流通過電池傳輸。如果電池在設(shè)計(jì)不佳的電池組中受到機(jī)械或電氣濫用，并且電池溫度升高超過某個(gè)點(diǎn)，則電池可能會(huì)出現(xiàn)稱為熱失控的現(xiàn)象。

Medtronic HeartWare HVAD 中的鋰離子電池使患者能夠過上更加靈活的生活方式。（圖片：美敦力）

熱失控是鋰離子電池的能量自加速退化，通常由電池中的熱量吸收引起，從而引發(fā)電池內(nèi)的一系列放熱反應(yīng)。當(dāng)細(xì)胞吸收熱量時(shí)，它會(huì)進(jìn)一步分解并釋放熱能，這些熱能被重新吸收到惡化的細(xì)胞中。3

隨著電池加熱，液體電解質(zhì)開始改變相并分解成有機(jī)氣體燃料。易燃?xì)怏w充滿電池并產(chǎn)生壓力。這種壓力會(huì)導(dǎo)致加壓易燃?xì)怏w、熔融金屬的猛烈釋放，如果被點(diǎn)燃，還會(huì)產(chǎn)生熾熱的火焰。單個(gè)鋰離子電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的火焰可達(dá)到 1，200°C 以上。5

現(xiàn)在想象一個(gè)電池組中有 10、100 或 1，000 個(gè)電池，創(chuàng)建安全電池組的重要性就變得清晰起來。熱失控電池災(zāi)難發(fā)生在一個(gè)非常公開的舞臺(tái)上，例如波音 787 夢(mèng)幻客機(jī)上的一個(gè)電池組在波士頓洛根國際機(jī)場(chǎng)的門口起火，或者三星 Galaxy Note 7 手機(jī)因設(shè)計(jì)原因在美國被禁止上飛機(jī)導(dǎo)致一些熱失控事件的缺陷。6，7

那么可以做些什么來防止鋰離子電池災(zāi)難呢？答案是，每家參與鋰離子電池生產(chǎn)的公司，無論是電池、電池組還是設(shè)備制造商，在開發(fā)安全電池技術(shù)方面都有獨(dú)特的責(zé)任。價(jià)值鏈中每家公司之間的密切溝通對(duì)于創(chuàng)建安全和諧的電池組實(shí)施至關(guān)重要。

電池制造商有義務(wù)在清潔的環(huán)境中進(jìn)行制造，以確保他們制造的每個(gè)電池都具有最高質(zhì)量。即使是電池中的小缺陷也可能導(dǎo)致短路，從而導(dǎo)致不受控制的溫度升高。5 反過來，電池組制造商需要設(shè)計(jì)一種電池組，即使在極端條件下運(yùn)行或電池發(fā)生故障時(shí)也能防止熱失控。

他們通過在控制電池組的電路上添加多級(jí)保護(hù)來做到這一點(diǎn)，以防止熱失控的主要原因，如過充電、過放電和電池電壓不平衡。這種電路還可以識(shí)別溫度的危險(xiǎn)升高并關(guān)閉電池組的操作。最后，設(shè)備制造商需要按照所有相關(guān)制造方的同意設(shè)計(jì)一個(gè)從電池組獲取電力的系統(tǒng)。這些貢獻(xiàn)者中的任何一個(gè)的設(shè)計(jì)或質(zhì)量不足都可能導(dǎo)致鋰離子電池災(zāi)難。

領(lǐng)先的電池組制造商通常采用多達(dá)三個(gè)級(jí)別的保護(hù)來防止電池?zé)崾Э亍１M管設(shè)計(jì)中有這個(gè)安全因素，但可以合理地假設(shè)在某些情況下，極端事件會(huì)導(dǎo)致電池的熱失控。例如，幾乎不可能防止穿孔電池的熱失控。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，必須防止熱失控傳播到電池組中的相鄰電池。這樣做可能會(huì)導(dǎo)致重大故障和災(zāi)難性電池災(zāi)難之間的差異。

簡(jiǎn)而言之，防止熱失控傳播的電池組必須防止熱量從觸發(fā)電池傳遞到周圍電池。單電池?zé)崾Э厥录僧a(chǎn)生大約 3 MJ 的熱能。3 這種能量將以光、火焰、熔融噴射物和加熱氣體的形式離開電池。所有這些能量都需要以某種方式重新定向或吸收。

設(shè)計(jì)可防止熱失控傳播的安全電池組的第一步是在設(shè)計(jì)階段執(zhí)行熱傳遞和流動(dòng)分析，以預(yù)測(cè)熱事件產(chǎn)生的能量和氣體會(huì)擴(kuò)散到哪里。這種分析將使工程師能夠識(shí)別電池中存在熱能吸收風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵區(qū)域。鑒于此分析，可以創(chuàng)建設(shè)計(jì)以優(yōu)化包裝的安全性。

在圓柱形電池中，壓力和氣體通常從電池的正極端釋放出來。沒有任何障礙或阻塞的單元之間存在直接熱路徑幾乎總是會(huì)導(dǎo)致傳播。3 因此，最好避免將電池的正端直接朝向負(fù)端。然而，這并不是布置單元格時(shí)的唯一考慮因素。根據(jù)電池設(shè)計(jì)，在熱失控事件期間可能會(huì)發(fā)生側(cè)面破裂。

核心組電池載體為防止熱失控傳播提供了重要支持。電池載體可以增加電池組中電池之間的間距，直接從電池的正極端積聚壓力，并防止失控的電池移動(dòng)和碰撞到其他電池。

此外，電池組必須阻止熔融噴射物接觸相鄰電池并抑制從觸發(fā)電池排出的氣體的燃燒，同時(shí)冷卻觸發(fā)電池并從相鄰電池釋放熱量。材料選擇對(duì)于實(shí)現(xiàn)這種額外的安全性至關(guān)重要。在某些設(shè)計(jì)中已經(jīng)提出了在熱失控情況下抑制火災(zāi)的膨脹材料，但它們不能單獨(dú)作為防止熱傳播的唯一保護(hù)措施。研究表明，即使是家用滅火器中的哈龍，也只能在很短的時(shí)間內(nèi)將鋰離子電池中的火撲滅，之后電池就會(huì)重新點(diǎn)燃。5

除了膨脹材料之外，包括電池和外殼之間的防火材料在內(nèi)的材料可以幫助防止熱傳播和因火焰離開電池組而對(duì)最終用戶造成的傷害。在熱失控事件中，熔融的噴射物和火焰會(huì)以極快的速度離開電池。包括阻火屏和設(shè)計(jì)噴射物和火焰的路徑將有助于降低火焰和火花離開電池的風(fēng)險(xiǎn)。8

在較大的包裝中，采用被動(dòng)甚至主動(dòng)熱管理技術(shù)至關(guān)重要。相變材料可以在整個(gè)電池組中均勻地吸收和散布熱量，從而減少相鄰電池上的熱量集中。還部署了主動(dòng)式熱交換器以減少電池組區(qū)域的熱量集中。這些技術(shù)也被證明可以延長(zhǎng)電池壽命，因?yàn)樗鼈冊(cè)诟咚俜烹娧h(huán)期間減緩了電池的退化。

無論公司為鋰離子電池組供電的設(shè)備處理價(jià)值鏈的哪個(gè)階段，工程師都有道德義務(wù)設(shè)計(jì)最安全的電池組。偷工減料是不可接受的，防止電池災(zāi)難的最佳實(shí)踐方法應(yīng)成為采用鋰離子電池的設(shè)備的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

鋰離子電池的好處很多，這些電池對(duì)于許多開發(fā)有助于人類進(jìn)步的設(shè)備的企業(yè)的成功至關(guān)重要。鋰離子技術(shù)固有的獨(dú)特安全問題可以由實(shí)施創(chuàng)新解決方案的設(shè)計(jì)工程師控制并盡可能安全，這些解決方案在保證電池安全方面發(fā)揮著重要作用。