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)重程度都會增加，從而導(dǎo)致對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 的存儲量。1，2 十九年后，鋰離子電池每年增加的存儲量超過 120 GWh。2

鋰離子電池現(xiàn)在比以往任何時候都需要更高的需求，因?yàn)樗鼈兲峁└吣芰棵芏群凸β瘦敵?。今天的鋰離子電池可以達(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性。一個典型的消費(fèi)者現(xiàn)在擁有比以往更多的移動電子產(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)，這些電池組可能會變得危險。此外，機(jī)械濫用會導(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點(diǎn)，則電池可能會出現(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，它會進(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，還會產(chǎn)生熾熱的火焰。單個鋰離子電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的火焰可達(dá)到 1，200°C 以上。5

現(xiàn)在想象一個電池組中有 10、100 或 1，000 個電池，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)生在一個非常公開的舞臺上，例如波音 787 夢幻客機(jī)上的一個電池組在波士頓洛根國際機(jī)場的門口起火，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。價值鏈中每家公司之間的密切溝通對于創(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。這種電路還可以識別溫度的危險升高并關(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)一個從電池組獲取電力的系統(tǒng)。這些貢獻(xiàn)者中的任何一個的設(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)三個級別的保護(hù)來防止電池?zé)崾Э?。盡管設(shè)計(jì)中有這個安全因素，但可以合理地假設(shè)在某些情況下，極端事件會導(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，必須防止熱失控傳播到電池組中的相鄰電池。這樣做可能會導(dǎo)致重大故障和災(zāi)難性電池災(zāi)難之間的差異。

簡而言之，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)行熱傳遞和流動分析，以預(yù)測熱事件產(chǎn)生的能量和氣體會擴(kuò)散到哪里。這種分析將使工程師能夠識別電池中存在熱能吸收風(fēng)險的關(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，同時冷卻觸發(fā)電池并從相鄰電池釋放熱量。材料選擇對于實(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，也只能在很短的時間內(nèi)將鋰離子電池中的火撲滅，之后電池就會重新點(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。8

在較大的包裝中，采用被動甚至主動熱管理技術(shù)至關(guān)重要。相變材料可以在整個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)也被證明可以延長電池壽命，因?yàn)樗鼈冊诟咚俜烹娧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)備處理價值鏈的哪個階段，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。