锂电池典型事故与安全关注

文/许铤

锂电池为生产和生活带来了极大的便利，但在各种应用场景下事故的发生，也让其安全问题引发重点关注。本文通过案例分析，介绍锂电池的构成与特性、生产安全、使用安全，以及应急处置等内容。

锂电池是指以锂或含锂化合物为正负极材料，使用非水电解质的电池，通常可分为锂离子电池和锂金属电池。随着世界能源的紧缺和绿色环保的压力，以及人们对于电池的要求越来越高，锂电池以其特有的优势，得以迅速推广和产业化应用。尤其是近二十年来，便携式、小型化的电子设备增多，更加丰富了锂电池的应用场景，促进了产业发展。但是，近年来一系列事故的发生，让人们越来越多地关注锂电池的安全问题。

不同场景锂电池事故案例

锂电芯过充电试验

案例一：2010 年9 月3 日，注册号为N571UP 的UPS 航空6 号班机从香港国际机场经停迪拜飞往科隆/波恩机场。该班机从迪拜起飞后不久，机舱便发生火警，飞行员迅速启动了舱内灭火系统，但火势的蔓延远远超出预料，浓烟更是直接威胁到驾驶安全。最终，飞机错过了进场航线，坠毁在两条高速路之间的一处无人区，正副机长丧生。事故调查发现，飞机上有大量锂电池产品，其中部分产品无法提供满足要求的测试证明。

高附加值的电子产品是航空货运的主要运载对象，由于锂电池具有放电平台高、循环寿命长、无记忆效应等优点，是电子产品不可或缺部件。但未通过测试认证的锂电池，无法满足安全运输要求。本次事故之后，国际民航组织进一步限制了锂电池例外条件，更加严格了对锂电安全航空运输的要求。

案列二：2016 年，某国际知名品牌手机锂电池爆炸事件影响重大。该新品手机发布后短短一个月，全球范围内发生35 起因电池缺陷造成的爆炸和起火事故。最终该公司宣布暂停生产和销售，并召回市面上的手机，总计损失超170 亿美元。事后调查认为，设计师为追求电池的极致性能，让电池尽可能地大，而手机的设计则偏紧凑；在这一松一紧之间，由于这种过于激进的设电池直流光储充一体化电站项目起火。消防员在对电站南区进行处置过程中，电站北区在毫无征兆的情况下突发爆炸，当时导致2 名消防员牺牲，1 名消防员受伤，电站内1名员工失联。

锂电芯针刺试验

储能电站的特点是结构复杂、电压高、能量大，一旦发生事故后果严重。单颗锂电池芯的电压每台平均为3 ～4 V，需要串联几百级的电池芯才能达到储能电站的使用要求，这对电池管理系统提出了更高的要求。在长期使用过程中，由于电池芯的劣化情况不同，更易导致电池芯的不平衡，极端情况下某些电池芯会产生不可逆的放热反应，大量电池失效后释放易燃气体积聚在有限空间内，极易造成燃爆事故。计，隐患近在咫尺。

当制造商竞相把超轻薄、长续航作为卖点时，产品安全性往往会受到忽视。目前，高端智能手机使用的锂电池能量密度已经较高，如无重大技术创新，很难有较大突破。而安全与性能，恰恰是矛盾的。追求极致性能的同时，安全性却下降了。在产品设计上，应充分考虑安全性，并进行足够的测试验证。

案例三：2018 年8 月22 日凌晨，东莞塘厦某公司车间发生火灾，浓烟滚滚，并伴随刺鼻的焦煳味。塘厦消防大队接警后迅速出动赶赴现场。据现场工人介绍，疑似锂电池短路引发起火，现场用水灭火过程中似有鞭炮声。

锂电池生产企业发生火灾事故屡见不鲜。生产车间应采用合适的工艺条件控制，物料、半成品、成品仓库等都需要重点防护。此外，生产过程中产生的废料，以及存在安全缺陷的电池应及时处理。

案例四：2020 年8 月20 日，福建三明市某品牌新能源汽车停靠于充电站中，先是车身周围浓烟滚滚，随后在消防人员持续向车辆射水时，该车突然爆炸，车辆解体的同时还炸穿充电站顶棚，车门、后备箱盖等零部件散落一地。

近年来，各类媒体经常报道新能源汽车自燃事故，但是，汽车发生爆炸、解体的却不多见。经此案例，新能源汽车在电池热失控蔓延、系统散热设计、线路线缆铺设、电池结构以及整车防护等方面的设计是否应进一步改进，成为了需要思考的命题。

案例五：2021 年4 月16 日下午，北京集美大红门25 MWh 磷酸铁锂

锂电池安全关注

鉴于锂电池的种种表现，有人形象地将其戏称为“炸弹”，可见其威力和安全风险不可小觑。锂电池一般由正极、负极、电解液、隔膜、外壳等组成。以锂离子电池为例，其正极一般都是由含锂的活性物质与具有防爆、阻燃的添加剂组成的混合物涂布在铝箔上。目前，使用较多的活性物质有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂等。研究表明，在130 ～150 ℃温度范围内，不同的正极材料可能会与电解液发生作用，从而导致危险。

负极主要是将石墨(纳米级碳粉)涂布在铜箔上。电解液溶剂一般选用碳酸酯类有机溶剂，如碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)等。这类有机物的闪点很低，沸点也较低，当电池过热时，电解液中的碳酸酯类物质可快速分解，产生大量气体和更多的热量，从而导致电池内压急剧上升，进而可能引起爆炸。在运输领域，锂电池一般归为第9 类杂项危险品，其危险性可见一斑。

自锂电池诞生那一刻开始，业界一直围绕着开发新型电极材料，持续不断地研究其结构—组分—性能—安全之间的关系。结构表征方法有扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X 射线衍射(XRD)等；组分及官能团分析方法有X 射线光电子能谱(XPS)、X 射线吸收光谱(XAS)、电子能量损失谱(EELS)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱、核磁共振(NMR)等；性能主要指标有电压、电化学阻抗、内阻、充放电循环性能、倍率性能、高低温性能等。综合运用恰当的方法获得锂电池相关信息，可以指导设计、制备和改性处理，从而获得更优的产品。

安全一直是锂电池行业关注的焦点。如何生产出合格的锂电池产品，质量管控是关键。锂离子电池芯典型的生产流程可简单地分为：配料、涂布、辊压、分切、卷绕、焊接、注液、封装、化成和特性检查等，每一个环节都影响到产品的质量。

比如卷绕工序，它是电池芯生产的核心工序，主要是把正、负极与隔膜卷绕在一起形成卷芯。但卷绕过程中，可能由于金属异物或切割碎屑等掉入，或者电极涂层脱落、隔膜破损等，导致电池芯内部短路或微短路，因此卷芯的绝缘性能检测就必不可少。

再比如焊接工序，当焊接功率不足时，电池受到振动或冲击后可能会脱焊，导致电池断路无法输出电流；当焊接功率太大时，瞬间产生高温，可烧穿焊接部位，容易形成毛刺，可能会导致内部短路。

此外，锂电池生产安全也备受关注。锂电池的正负极材料大部分为超细粉料，特别是负极粉料(含有碳粉)，可在空气中悬浮，有爆炸风险；电池原材料中有部分是可燃物质，在某些特殊工艺条件下，有潜在火灾风险。生产过程中适时检测一些关键指标，可有效降低事故发生概率。

为了确保锂电池的使用安全，人们设计了许多测试条件来模拟不同的应用场景。以运输领域中最常用的标准——联合国《试验和标准手册》为例，它规定了一系列的测试模拟锂电池运输过程。

比如真空测试，模拟5 万英尺(约1.5 万m)高空条件下的负压环境，用以评估电池的密封安全性。再比如振动测试，可用于模拟各种振动工况，考核电池的结构强度。持续强烈的振动所形成的交变应力能使结构产生累积疲劳，最后表现为变形、破损或断裂，造成产品性能失效或安全失效。

此外，针对电池在搬运、组装过程中可能会发生外部短路及内部短路等情况，众多学者纷纷提出各种测试方法，有的用金属针刺穿电池内部来模拟和评估短路发生时电池的安全耐用性；有的在电池卷芯中植入记忆合金或金属颗粒，触发内部短路，研究电池热失控情况；有的通过棒—平板挤压制造有效的内部短路，观察电池是否有高温、起火、爆炸等现象，评估电池的安全性。所有的这些设计，都是为了尽可能多地模拟实际使用环境，确保电池使用安全。

尽管锂电池产品在设计上追求本质安全，也设计了各种严苛的滥用模拟试验，但在实际使用过程中事故仍有发生。面对事故，该如何确保应急安全？锂电池是一个比较特殊的产品，其电极材料分别具氧化性与还原剂性，一旦电池发生热失控，会产生更大量的热和气体，加速热失控。因此，采用常规的如隔绝氧气等灭火措施效果不佳。

当锂电池发生热失控后，应先做好物理隔离，最好能一并切断电气连接，将影响控制在最小范围内。同时，应确保有效降温。对于锂离子电池而言，大量水是一个不错的选择，必要时可将电池完全浸没在大量水中。

除了事后的应对，早期的监测也是非常关键。比如电池电压异常波动，温度急剧升高，冒出大量烟雾等，都是电池热失控前的关键信号，可增加相应的传感器，提前发出预警，采取措施。

锂电池给我们的生活带来了极大的便利，但由于其特性，安全一直是业界关注的焦点。我们要善于从事故中吸取教训，不断改善产品本质安全、生产过程安全、使用安全、应急处置等，有效降低事故风险。