JFD：鋰電池安全問題真的無解嗎？

近年來，手機和負極釋放大量熱量，然后導致電池燃燒。電極材料的可燃性是鋰離子電池和水性二次電池的一大區別。

與過充電和鋰金屬相關的問題：任何商用二次電池都需要采取有效措施防止過充電，以確保電池充滿電，避免因不當過充電而導致的安全問題。鋰電池過度充電會導致許多嚴重后果，如陰極材料晶體結構破壞導致循環壽命惡化，陰極表面電解質氧化導致熱失控，以及陰極處鋰沉淀導致短路/熱失控。

因此，為了鋰電池的安全使用，防止過充電是極其重要的。與水性二次電池不同，控制充電電壓是防止鋰離子電池過充電的唯一保護措施。鋰電池充電電壓的變化主要是在陰極材料接近完全脫鋰狀態時引起的，并且很難檢測到石墨陰極充電過程的完成（因為其鋰嵌入電位非常接近金屬鋰）。為了避免監測負電壓的困難，鋰離子電池通常采用正極限容量的設計。

當然，正極極限容量的另一個主要功能是確保負極有足夠的額外容量來防止負極析鋰。然而，有三種情況會改變負極的過剩容量：

石墨陰極的容量衰減率高于陰極材料，這在幾乎所有的陰極材料匹配系統中都得到了證實。

由于電極結構設計不合理或使用條件不當（如高倍率、低溫和過充電等），鋰與負極部分分離。

電解質和雜質的副反應導致負極充電程度增加，額外的鋰存儲容量逐漸喪失。

上述任何一種情況的發生都會導致負極儲鋰能力不足，而鋰金屬是導致鋰電池安全問題的罪魁禍首。這些問題在大容量動力電池中會更加嚴重，即使使用BMS也無法從根本上解決這些問題。

我想在這里強調的是，隨著電池的使用，上述三個因素將變得更加突出，也就是說，舊電池的安全問題將比新電池更嚴重，而這個問題目前還沒有引起足夠的重視。

近兩年的一個熱門話題是動力電池的“梯度發展”，將達到使用壽命的動力電池（理論上剩余70%的容量）重新用于儲能目的。這個想法的出發點是好的，但考慮到舊電池的安全隱患和大多數國產動力電池的質量差，我個人認為動力電池的梯度發展在短期內不可行。

事實上，我們也可以從另一個角度來比較水性二次電池和鋰電池的安全性。所有二次電池的充電安全性，無論是水性電池還是有機電池，都是基于正極極限容量（過剩負極容量）的基本原理。

如果這一前提消失，過充電的后果是水性二次電池產生氫氣，而對于鋰離子電池來說，則是鋰在負極沉淀。然而，用于各種水性二次電池的水性電解質具有獨特的性質，即在過充電過程中，水可以分解為氫氣和氧氣，氫氣和氧氣可以在電極上或復合催化劑表面結合產生水，因此，我們不難理解，水性二次電池通常采用“氧氣循環”的原理來實現過充電保護。

在鋰離子電池中，一旦高活性金屬鋰從負極沉淀出來，就不可避免地會導致安全問題，因為金屬鋰無法在電池內部消除。盡管水性二次電池能量密度的進一步提高受到水的分解電壓的限制，但別忘了，水也提供了一種幾乎完美且不可替代的解決方案來防止過度充電……

r水性二次電池。

從這個角度將鋰離子電池與水性二次電池進行比較，鋰電池中使用的有機電解質不具有可逆分解和回收的特性，高活性金屬鋰一旦生產出來就無法被淘汰。因此，從某種意義上說，鋰離子電池的安全問題沒有解決方案！

一些技術措施的綜合應用，如熱控制技術（PTC電極）、正負電極表面陶瓷涂層、過充電保護添加劑、壓敏隔膜和阻燃電解質，可以有效提高鋰電池的安全性，但這些措施并不能從根本上解決鋰電池的安全問題，因為鋰電池在熱力學上是一個不穩定的系統。另一方面，這些措施不僅增加了成本，而且降低了電池的能量密度。

如果我們綜合考慮上述因素，就會明白鋰電池的“安全性”只是相對意義上的。一些讀者可能會注意到，普通電池，如堿錳電池、鉛酸電池和鎳氫電池，消費者可以直接在商店購買裸芯電池，但鋰離子電池是個例外。

根據鋰電池行業的規定，電池制造商只會將自己的電池出售給授權的Pack公司，然后Pack公司會將電池和保護板包裝成電池組，并將其出售給電器制造商而不是消費者，并且電池組必須嚴格按照規定的方法使用專用充電器。這種特殊的商業模式背后的邏輯主要是基于鋰電池的安全考慮。

此前震驚業界的波音787夢想客機鋰電池起火事件，以及最近三星Galaxy Note 7的大規模電池起火爆炸事件，再次為鋰離子電池的安全敲響了警鐘。

與三星相比，蘋果在電池方面一直相對保守和穩定，其電池容量和充電上限電壓都低于三星。與Galaxy Note 7中使用的4.4V高壓LCO不同，蘋果在最近發布的下一代i-Phone 7上仍然使用與i-Phone 6系列相同的4.35V LCO陰極材料。

蘋果之所以在電池方面采取保守穩健的策略，主要是出于安全考慮。為了確保安全，蘋果寧愿犧牲電池容量和能量密度。據媒體報道，三星因大規模召回Galaxy Note 7而遭受的直接經濟損失可能高達20億美元，間接的品牌價值損失將不可估量。

我在這里需要強調的是，BMS無法解決鋰離子動力電池的安全問題，這是由BMS的基本工作原理決定的。動力電池系統的安全性從根本上取決于單體電池，而大型動力電池的安全問題在分組后會被放大并變得更加突出。近年來，國內鋰電池行業一直充斥著鋰離子電池將統一河流和湖泊，取代其他二次電池的爭論。僅僅從安全的角度來看，這種說法無疑是荒謬的。近年來，手機和鋰電池的安全性直接關系到正負電極表面鈍化膜的完整性和密度，了解這個問題非常重要。

傳熱角度：鋰離子電池的不安全行為（包括電池過充和過放電、快速充放電、短路、機械濫用條件和高溫熱沖擊等）容易在電池內部引發危險的副反應產生熱量，直接損壞陽極和陰極表面的鈍化膜。

當電池芯的溫度上升到130℃時，負極表面的SEI膜發生分解，導致暴露在電解液中的高活性鋰碳負極發生劇烈的氧化還原反應，產生的熱量使電池進入高風險狀態。當電池內部的局部溫度上升到200℃以上時，正極表面的鈍化膜分解正極產生氧氣，并繼續與電解質劇烈反應，產生大量熱量，形成高內壓。當電池溫度達到240℃以上時，鋰碳陰極與粘合劑之間會發生劇烈的放熱反應。

可以看出，負極表面SEI膜的損壞導致高活性嵌鋰負極與電解質之間發生劇烈的放熱反應，這是電池溫度升高和熱失控的直接原因。陰極材料的分解和放熱只是熱失控反應的一部分，甚至不是最重要的因素。

磷酸亞鐵鋰（LFP）的結構非常穩定。通常不會發生熱分解，但LFP電池中仍然存在其他危險的副反應，因此LFP電池的“安全性”只是相對的。從以上分析可以看出，溫度控制對鋰電池的安全性具有重要意義。與3C小電池相比，由于電池結構、工作模式和環境等諸多因素，大功率電池的散熱更加困難，因此大功率電池系統的熱管理設計非常重要。

電極材料的易燃性：鋰電池中使用的所有有機溶劑都是易燃的，并且它們的閃點太低。不安全行為引起的熱失控很容易點燃閃點較低的易燃液體成分，導致電池燃燒。鋰電池的負極碳材料、隔膜和正極導電碳也是易燃的。

鋰電池燃燒的概率高于電池爆炸的概率，但電池爆炸必須伴隨燃燒。此外，當電池破裂，外部環境中的空氣濕度高時，空氣中的水分和氧氣很容易與嵌鋰碳負極發生劇烈反應，釋放大量熱量，進而導致電池燃燒。電極材料的可燃性是鋰離子電池和水性二次電池的一大區別。

與過充電和鋰金屬相關的問題：任何商用二次電池都需要采取有效措施防止過充電，以確保電池充滿電，避免因不當過充電而導致的安全問題。鋰電池過度充電會導致許多嚴重后果，如陰極材料晶體結構破壞導致循環壽命惡化，陰極表面電解質氧化導致熱失控，以及陰極處鋰沉淀導致短路/熱失控。

因此，為了鋰電池的安全使用，防止過充電是極其重要的。與水性二次電池不同，控制充電電壓是防止鋰離子電池過充電的唯一保護措施。鋰電池充電電壓的變化主要是在陰極材料接近完全脫鋰狀態時引起的，并且很難檢測到石墨陰極充電過程的完成（因為其鋰嵌入電位非常接近金屬鋰）。為了避免監測負電壓的困難，鋰離子電池通常采用正極限容量的設計。

當然，正極極限容量的另一個主要功能是確保負極有足夠的額外容量來防止負極析鋰。然而，有三種情況會……

改變負極的過剩容量：

石墨陰極的容量衰減率高于陰極材料，這在幾乎所有的陰極材料匹配系統中都得到了證實。

由于電極結構設計不合理或使用條件不當（如高倍率、低溫和過充電等），鋰與負極部分分離。

電解質和雜質的副反應導致負極充電程度增加，額外的鋰存儲容量逐漸喪失。

上述任何一種情況的發生都會導致負極儲鋰能力不足，而鋰金屬是導致鋰電池安全問題的罪魁禍首。這些問題在大容量動力電池中會更加嚴重，即使使用BMS也無法從根本上解決這些問題。

我想在這里強調的是，隨著電池的使用，上述三個因素將變得更加突出，也就是說，舊電池的安全問題將比新電池更嚴重，而這個問題目前還沒有引起足夠的重視。

近兩年的一個熱門話題是動力電池的“梯度發展”，將達到使用壽命的動力電池（理論上剩余70%的容量）重新用于儲能目的。這個想法的出發點是好的，但考慮到舊電池的安全隱患和大多數國產動力電池的質量差，我個人認為動力電池的梯度發展在短期內不可行。

事實上，我們也可以從另一個角度來比較水性二次電池和鋰電池的安全性。所有二次電池的充電安全性，無論是水性電池還是有機電池，都是基于正極極限容量（過剩負極容量）的基本原理。

如果這一前提消失，過充電的后果是水性二次電池產生氫氣，而對于鋰離子電池來說，則是鋰在負極沉淀。然而，用于各種水性二次電池的水性電解質具有獨特的性質，即在過充電過程中，水可以分解為氫氣和氧氣，氫氣和氧氣可以在電極上或復合催化劑表面結合產生水，因此，我們不難理解，水性二次電池通常采用“氧氣循環”的原理來實現過充電保護。

在鋰離子電池中，一旦高活性金屬鋰從負極沉淀出來，就不可避免地會導致安全問題，因為金屬鋰無法在電池內部消除。盡管水性二次電池能量密度的進一步提高受到水的分解電壓的限制，但別忘了，水也為防止水性二次元電池過充電提供了幾乎完美且不可替代的解決方案。

從這個角度將鋰離子電池與水性二次電池進行比較，鋰電池中使用的有機電解質不具有可逆分解和回收的特性，高活性金屬鋰一旦生產出來就無法被淘汰。因此，從某種意義上說，鋰離子電池的安全問題沒有解決方案！

一些技術措施的綜合應用，如熱控制技術（PTC電極）、正負電極表面陶瓷涂層、過充電保護添加劑、壓敏隔膜和阻燃電解質，可以有效提高鋰電池的安全性，但這些措施并不能從根本上解決鋰電池的安全問題，因為鋰電池在熱力學上是一個不穩定的系統。另一方面，這些措施不僅增加了成本，而且降低了電池的能量密度。

如果我們綜合考慮上述因素，就會明白鋰電池的“安全性”只是相對意義上的。一些讀者可能會注意到，普通電池，如堿錳電池、鉛酸電池和鎳氫電池，消費者可以直接在商店購買裸芯電池，但鋰離子電池是個例外。

根據鋰電池行業的規定，電池制造商只會將自己的電池出售給授權的Pack公司，然后Pack公司會將電池和保護板包裝成電池組，并將其出售給電器制造商而不是消費者，并且電池組必須嚴格按照規定的方法使用專用充電器。這種特殊的商業模式背后的邏輯主要是基于鋰電池的安全考慮。

此前震驚業界的波音787夢想客機鋰電池起火事件，以及最近三星Galaxy Note 7的大規模電池起火爆炸事件，再次為鋰離子電池的安全敲響了警鐘。

與三星相比，蘋果在電池方面一直相對保守和穩定，其電池容量和充電上限電壓都低于三星。與Galaxy Note 7中使用的4.4V高壓LCO不同，蘋果在最近發布的下一代i-Phone 7上仍然使用與i-Phone 6系列相同的4.35V LCO陰極材料。

蘋果之所以在電池方面采取保守穩健的策略，主要是出于安全考慮。為了確保安全，蘋果寧愿犧牲電池容量和能量密度。據媒體報道，三星因大規模召回Galaxy Note 7而遭受的直接經濟損失可能高達20億美元，間接的品牌價值損失將不可估量。

我在這里需要強調的是，BMS無法解決鋰離子動力電池的安全問題，這是由BMS的基本工作原理決定的。動力電池系統的安全性從根本上取決于單體電池，而大型動力電池的安全問題在分組后會被放大并變得更加突出。近年來，國內鋰電池行業一直充斥著鋰離子電池將統一河流和湖泊，取代其他二次電池的爭論。僅僅從安全的角度來看，這種說法無疑是荒謬的。

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