鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)時間長的特點，但鋰離子電池也存在安全隱患，這是鋰離子電池的主要問題之一。高能量密度的鋰離子電池在遇到機、電或熱濫用時，容易引發(fā)熱失控，內(nèi)部會發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量和氣體。部分氣體具有毒性、可燃性；隨著熱失控的加劇，熱量和氣體的進一步傳播，容易引發(fā)電池的劇烈爆炸，可能會造成嚴重的財產(chǎn)損失并引發(fā)環(huán)境問題。分析鋰離子電池熱失控氣體對優(yōu)化電池材料組成及早期的安全預(yù)警十分重要。

熱失控原理主要分為了三個階段： 

第 1 階段：熱失控開始階段：溫度在125℃左右。這個階段一般被認為是負極SEI 膜反應(yīng)分解，使得負極與電解液直接接觸，從而導(dǎo)致電解液與負極中的鋰發(fā)生反應(yīng)并生成氣體。

第 2 階段：電池內(nèi)部氣體釋放、升溫加速，溫度在 125~180℃左右，這個階段正極材料分解釋氧，鋰鹽也會分解，如 LiPF6 分解生成LiF 和路易斯酸 PF5。而路易斯酸會在高溫下與電解液發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生氣體。

第 3 階段：熱失控階段，溫度約在 180℃以上。在這個階段正/負電極材料與電解液發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)，電解液分解放熱，電池內(nèi)部溫度急劇升高，電池泄壓閥打開或引發(fā)自燃。

也有研究者將熱失控細分為如下范圍：

一般動力電池的熱失控有三個特征溫度，起始發(fā)熱溫度 T1，熱失控引發(fā)溫度T2，熱失控溫度T3。T1指的是SEI 膜分解的溫度，T3它取決于整個反應(yīng)焓，T2溫度跟電池本身的狀態(tài)、電池體系、使用狀態(tài)相關(guān)，這個溫度會由一個緩慢的升熱突然引發(fā)急劇的升熱，這個生熱速率可以達到幾百到 1000 度/秒，這是引發(fā)熱失控的關(guān)鍵。

通過研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致電池熱失控主要有3個因素：內(nèi)部短路、正極釋氧、負極析鋰。

短路、針刺和撞擊引起動力鋰電池變化的機理大致相同。通過蓄電池的大電流在蓄電池內(nèi)產(chǎn)生的熱量。隨著溫度的升高，電池的溫度逐漸上升到正極熱分解的溫度，導(dǎo)致電池熱耗竭；使用時，針部會導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，導(dǎo)致內(nèi)部過電流產(chǎn)生熱量，電池內(nèi)部溫度導(dǎo)致正熱分解。

熱解煙氣分析：

鋰離子電池的熱失控過程伴隨著熱解煙氣的釋放, 大多為有毒有害氣體。有毒有害氣體的釋放量也是評價鋰離子電池毒害性的關(guān)鍵指標。

鋰離子電池釋放的主要氣體成分為CO2 、CO、H2 、甲烷(CH4 )、乙烯(C2H4 )、丙烯(C3H6 ) 及毒性很大的 HF 氣體。有毒氣體產(chǎn)生主要是因為覆蓋在電極上的SEI膜發(fā)生分解、負極和電解液發(fā)生反應(yīng)、正極發(fā)生分解反應(yīng)、隔膜融化、電解液反應(yīng)和電池燃燒等一系列反應(yīng)。CO大多來源于碳酸鹽溶劑的不充分燃燒和正極嵌入的Li + 如式(1)、(2)所示。

C3H4O3 +O2→3CO+2H2O (1)

2CO2 +2Li++2e→Li2CO3 +CO (2)

CO2 可能是由電解質(zhì)與O2 的反應(yīng)產(chǎn)生，見式(3)

C3H4O3 +5/2O2→3CO2+2H2O (3) 

乙烯、丙烯大多都是電解液里的有機溶劑和鋰鹽共同作用生成的。常用的有機溶劑有碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)。負極-電解液可能的反應(yīng),如式(4)、(5)所示。 

2Li⁺+C3H4O3(EC)+2e→Li2CO3 +C2H4 (4)

2Li⁺+C4H6O3(PC)+2e→Li2CO3 +C3H6 (5) 

鋰離子電池中的氟大多來自鋰鹽(LiPF6 )、含氟添加劑、電極黏結(jié)劑(PVDF)、電極材料及涂層。其中HF和 POF3 的主要氟源是鋰鹽，生成機理如式(6)-(8)所示。

 LiPF6→LiF+PF5 (6)

 PF5+H2O→POF3+2HF (7)

 POF3+3H2O→H3PO4+3HF (8) 

研究電池熱失控逸出氣體的種類和含量，其重點在于要快速定性逸出氣體種類及定量各氣體濃度，測試數(shù)據(jù)直讀、可靠，儀器使用便捷！

北京樂氏科技的便攜式傅里葉紅外氣體分析儀在鋰電池熱失控逸出氣體分析方面積累了應(yīng)用經(jīng)驗，在應(yīng)急管理部上海某鋰電池試驗場所參與數(shù)十次熱失控測試，在廣州、杭州、河南、天津、合肥等地參與了鋰電池熱失控逸出氣體測試項目，可定性定量氣體種類包括CO2、CO、HCL、HF、HCN、C2H4、CH4、C2H6、C3H6、C7H8、C8H8、C8H10、C2H2、C6H14、C6H12等不少于55種氣體。不同化學(xué)體系、結(jié)構(gòu)的鋰離子電池，熱失控逸出氣體可能包含酸堿性氣體、有機氣體等，如HCN、HF、HCL、NH3、苯系物和酸酯類物質(zhì)。且逸出氣體溫度高、含濕量大，儀器必須采用全程高溫加熱的方式，高溫采樣、高溫粉塵過濾、高溫分析，避免吸附性強、溶解性強、大分子量有機化合物冷凝造成的過程損失，實現(xiàn)鋰電池逸出氣體測量的“真、準、全"。

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