鋰元素作為電池領域的“王者”，為什么頻頻與危險相連？造成鋰電池爆炸的主要原因是什么？本文就來揭開鋰離子電池“王炸”的秘密。

2020年10月27日晚間，一輛位于北京北四環(huán)的威馬EX5電動汽車發(fā)生自燃爆炸，是最近一個月以來威馬汽車的第三起自燃起火事件。此事再次將電池安全性問題推上風口浪尖。威馬隨后發(fā)布的官方聲明表示：“此次事件是由于電芯供應商在生產(chǎn)過程中混入了雜質，導致動力電池產(chǎn)生異常析鋰，極端情況下可能導致電芯短路，引發(fā)動力電池熱失控并產(chǎn)生起火風險，存在安全隱患?！?/span>

一般而言，電動汽車起火自燃往往是其內(nèi)部的鋰離子電池組自燃所導致的。隨著近年來新能源汽車的推廣，基于鋰離子電池的電動汽車（也包括手機等）已經(jīng)曝出了多起自燃、爆炸的新聞。鋰離子電池早已，并且將在未來一段時間持續(xù)充斥于我們的生活當中，其安全性問題自然成為大家關注的熱點。在這篇文章中，我們將簡單介紹現(xiàn)有鋰電池的原理，進而討論其發(fā)生自燃的原因，最后通過Q&A回答下大家可能關心的問題。

圖12020年10月27日，北京一輛威馬電動汽車自燃爆炸

1鋰離子，“住在單身宿舍”的電池王者

2019年，諾貝爾化學獎授予了三位對鋰離子電池發(fā)明和發(fā)展具有杰出貢獻的科學家與工程師。但同時也再一次將鋰離子電池的安全問題推向了輿論的中心。

鋰金屬是自然界中最輕、電極電勢最低的金屬，這意味著同樣質量的金屬之中，鋰可以攜帶最多的電荷，并提供最高的電池電壓，是電池中的“王者”金屬。因此早在上世紀初，1912年，美國著名化學家Gilbert N. Lewis就已經(jīng)開始了鋰電池的研究；然而真正商業(yè)化應用的鋰電池到上世紀70年代才得以發(fā)展。

盡管人們往往將鋰離子電池簡稱為“鋰電池”，但事實上鋰離子電池中并沒有金屬單質鋰?，F(xiàn)代主流的電極材料中，負極多為石墨，而正極多為各類鋰鹽。通過簡單的數(shù)學計算即可知道，雖然鋰離子本身非常輕巧，但石墨負極需要6個碳原子來容納1個鋰離子（LiC6），鋰的質量分數(shù)僅為不到10%；電池正極以鈷酸鋰（LiCoO2）為例，鋰的質量分數(shù)僅為7.1%。如此說來，現(xiàn)有的鋰離子材料并沒有充分發(fā)揮鋰元素作為電池“王者”金屬的特性，我們買的電池中鋰的占比其實很少，能量密度自然也不高。那么，如果讓鋰原子整整齊齊地排在一起，拋棄這些電池正負極的不相干元素，不就可以獲得更大容量的電池了嗎？

圖2 鋰離子堆疊的整整齊齊非常困難，反而會形成(b)中的枝晶。這是因為鋰離子沉積的馬太效應，會形成(c)所示的局部電場強度過高的現(xiàn)象。

如圖2所示，由于鋰本身性質活潑，如果不將鋰離子加以限制，而是將鋰離子直接還原為鋰金屬，那么在鋰沉積的過程中，總有某一部分位點會有鋰離子先沉積下來。先沉積下來的鋰離子被還原為鋰金屬，成為帶電更多的“尖端”。尖端周圍形成更強的電場，促進后續(xù)鋰離子優(yōu)先沉積。這種先沉積的鋰，形成更強電場，誘導更多鋰繼續(xù)加速沉積的現(xiàn)象，被我們稱為鋰沉積的“馬太效應”——如同經(jīng)濟學的馬太效應一樣，初期的優(yōu)勢積累將在后期產(chǎn)生巨大的差異性。因此，大量尖銳而分形的鋰枝晶會不斷形成，最終刺穿隔膜，造成電池內(nèi)部短路，從而使得電池內(nèi)部電解液分解，導致電池自燃、爆炸。所以早期基于金屬鋰電池的電池已經(jīng)由于安全問題而被淘汰了。

我們可以方便地在白板上模擬鋰枝晶生長的馬太效應。如圖3所示，把白板擦拭濕潤，白板筆畫線后，墨水會往外擴散，初始生長得快的墨水線會沿著白板更快地擴散，從而生長出“墨水枝晶”。

圖3 白板上墨水的馬太效應

因此，盡管鋰金屬單質可以提供更大的容量、更高的功率，但“跑得快不一定贏，不跌跟頭才是成功”。反而鋰金屬單質的析出，進而產(chǎn)生枝晶，是造成鋰電池爆炸的重要因素之一。

2“王炸”

近幾十年來，真正使鋰離子電池擁有如今奪目光輝的，恰恰是前述的那些白白占據(jù)重量、拉低電池容量的碳、鈷、氧們。如圖4所示，鋰離子在負極被嵌入到石墨/石墨烯中，鋰離子將駐扎在六個碳組成的“格子”中（LiC6）。同樣地，各類電池正極材料也需要將鋰離子嵌入至金屬氧化物構成的“格子單間”中，例如LiCoO2，鋰離子就駐扎在Co與O搭建的框架之間。由于每一個鋰離子都居住在“單間”當中，互相分隔開來，鋰離子自然就難以在沉積過程中產(chǎn)生馬太效應，從而提高了電池的安全性與可靠性。

圖4 石墨負極與鈷酸鋰正極材料。紫色球為鋰離子。左側藍球為碳原子，右側紅球為氧原子，藍灰色球為鈷原子。

然而，“王”依然會爆炸——即使王僅僅以離子的身份穿梭于電池內(nèi)部，而沒有以其單質的本尊就坐于電池之內(nèi)，但還是會由于種種原因而產(chǎn)生意外。

如圖5所示，鋰離子電池的正負兩極會用聚丙烯、聚乙烯的多孔隔膜分割開來。這類多孔隔膜類似口罩中的熔噴層，可以透過鋰離子，但會阻隔電子。與此同時，永遠不要忘記鋰是最活潑的金屬之一，這要求鋰離子電池內(nèi)部不能使用水作為電解質溶劑，那么電池內(nèi)部鋰離子的運輸，只能依賴醚類、酯類等有機溶劑。這些有機溶劑本身易燃易爆，同時還容易在電極上發(fā)生分解反應，從而導致電池自燃或爆炸。但萬變不離其宗，電池的爆炸基本都可以歸結為以下兩種失控：熱失控與電失控。

圖5 鋰離子電池結構，該圖為放電過程，其中紫色球為鋰離子

①熱失控。熱失控是指電池內(nèi)部溫度持續(xù)升高。造成熱失控的原因很多，主要是由于電池內(nèi)部短路。短路電流會產(chǎn)生大量的熱量，使得有機電解液分解-電池鼓包-最終電池破裂-自燃-爆炸。幾年前報道出來的三星Note 7手機的幾起事故，就是由于電池內(nèi)部金屬毛刺或隔膜破裂，進而引發(fā)短路而造成的。

在非撞擊的情況下，電池內(nèi)部結構或材料的缺陷也可能會導致熱失控。例如正極、負極的金屬極片可能存在一些切割、加工所造成的鋒利凸起，會劃傷脆弱的隔膜，從而導致電池持續(xù)性內(nèi)短路，最終引發(fā)電池熱失控；而如果電池材料有雜質，造成鋰離子不進入“格子間”，而是沉積在電極材料表面，就會形成此次威馬汽車所聲稱的“析鋰”現(xiàn)象，產(chǎn)生尖銳的鋰枝晶，刺破隔膜而熱失控。

而各類電動汽車受到撞擊之后，如果電池被穿刺，也會造成電池內(nèi)部短路從而失火爆炸。

②電失控。熱失控是電池內(nèi)部缺陷或外界意外導致的，而電失控往往來自于人禍。在電池充電時（圖5的反過程），如果電池已經(jīng)被完全充電，但電路控制系統(tǒng)并沒有結束充電過程，或者放緩充電速度，將會使得電池過度充電，產(chǎn)生電失控。

一種情況是已經(jīng)沒有鋰離子可以繼續(xù)遷移到負極從而沉積，那么電池內(nèi)部的有機電解液將在電極上分解，從而產(chǎn)生大量氣體，導致電池鼓包、爆炸。早年的萬能充電器由于沒有安全可靠的充電控制系統(tǒng)，常常會把電池充鼓包。

另一種是過度充電，但鋰離子“格子間”不夠導致的析鋰電失控。當電池充滿時，還有自由鋰離子可以遷移至負極，而負極的石墨“格子間”已經(jīng)被填滿，此時鋰離子只能沉積在石墨外側析出鋰金屬單質（對，又是析鋰）。鋰金屬單質將會產(chǎn)生枝晶，從而刺穿隔膜，引發(fā)熱失控，最終導致電池自燃、爆炸。除了電池過度充電之外，過度追求快速充電也可能會導致電失控：在電池已經(jīng)快要充滿的時候，大電流的充電將可能使鋰離子過快地來到負極，但來不及進入格子間，同樣會產(chǎn)生鋰金屬單質。因此，合理設計的多重安全閘門的充電管理系統(tǒng)對預防電池熱失控至關重要。

圖6 威馬汽車官方微博發(fā)出的“召回說明”指出，此次爆炸事故是電池生產(chǎn)過程中的雜質導致的異常析鋰，引發(fā)熱失控。

3問答

Q1：沒在行駛，也沒在充電的電動汽車為什么會自燃？

A1：很可能之前電池內(nèi)部已經(jīng)形成了小規(guī)模短路，停車期間電池持續(xù)放熱，最終熱失控而自燃。

Q2：快充會傷害電池么？

A2：如果沒有外電路優(yōu)化，那么充電速度過快會傷害到電池壽命。但事實上大多數(shù)手機和汽車電池都會在電池快要充滿時減慢充電速度，給鋰離子足夠的時間慢慢回到自己的單間，所以快充對電池性能的影響有限。而且，某品牌手機的“五福一安”真的太慢了吧。

Q3：過度放電會有安全風險么？

A3：過度放電對電池有很大的危害，很可能由于鋰離子徹底走掉造成電極材料的坍塌，從而讓鋰無家可歸。后續(xù)的循環(huán)可能會導致電失控，因此從電池壽命和安全角度都不建議電池過度放電。所以“對不起，我的手機只有90%電量，先不聊了”可能也不僅僅是推脫，畢竟TA可能真的很愛惜電池與生命。

Q4：電動汽車到底安全么？電池既然會爆炸，為什么人們還敢開著電動汽車上高速？

A4：人們甚至敢開著燃油車，坐在幾十升汽油上面，在高速公路上飛奔。

Q5：為什么冬天電動汽車續(xù)航下降得很厲害，以至于車主想要外加內(nèi)燃機的加熱裝置？

A5：鋰離子在低溫環(huán)境下遷移速率顯著變慢，相當于電池內(nèi)阻明顯增加，因此電池能夠釋放的功率和能量都會下降。為了保證電池足夠的功率輸出，還需要利用電池一部分能量給電池進行加熱，使得本不富裕的電池雪上加霜。因此背一個內(nèi)燃機小書包，既可以取暖加熱，又可以保證續(xù)航，成為了不少車主的選擇。

Q6：未來會怎樣？

A6：更加安全、可靠、高性能的鋰電池必將出現(xiàn)。而且，我們一直想對鋰金屬單質做一次文藝復興。

“誰人沒試過猶豫，達到鋰想不太易?！?/p>

責任編輯：xj

原文標題：電動汽車因何爆炸？揭開鋰電池“王炸”的秘密

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