就电池安全性问题请教艾新平（1）

   目前电池的安全性问题引起多方关注，对像我这样只对机械类产品比较熟悉的偏科工程师，很想拜师补课，学习点电池方面的知识。武汉大学的艾新平教授是我的好朋友，从来不吝赐教。下面是他针对我提出的几个问题给出的解答，我觉得很有启发，经过他的同意，登载出来供大家参考。因为文章比较长，我分几次登载出来。

王秉刚问：您说“锂离子电池的不安全行为是指电池在过充电、短路（包括内部短路和外部短路）、机械滥用条件（如挤压、穿刺、振动、跌落等）和高温热冲击等情况下，发生爆炸和燃烧的现象。”您是电化学的知名教授，能不能更通俗形象一些解释一下电池发生爆炸和燃烧的过程与机理，它与汽油燃烧、炸药爆炸的过程与机理一样吗？为什么在上述这些情况下会发生电池的爆炸和燃烧？

艾新平答：应当说电池发生爆炸都是由于电池内部瞬间温升过快或内压过高而引起。锂离子电池是一个密闭的反应体系，在其内部存在系列电化学和化学反应。除了用于储存和释放电能的正常电极反应外，还存在许多潜在的副反应，如电解质溶液的还原和氧化分解、正极的热分解等。当电池处于正常温度范围和正常电压范围时，这些副反应不会发生，电池内部仅发生正常的充电和放电反应，此时电池安全。但当电池温度过高，或者充电电压过高时，这些副反应被触发，产生大量的热，并释放出有机小分子气体。由于反应剧烈，产生的热量不能有效传递到电池体外，引起电池内部温度和压力的急剧上升。而温度的上升又会极大地加速副反应的进行速度，产生更大量的热和气体产物，此时电池进入无法控制的自加温状态，即俗称的热失控状态，电池有可能发生爆炸。当然，电池是否发生爆炸与很多因素有关，如电池的荷电状态、副反应的进行速度和发生程度、热传递速度、安全阀开启的灵敏度、外界环境温度等，因此，并非所有进入到热失控状态的电池都会发生爆炸，存在一定的几率性。从爆炸发生的机理来看，与炸药爆炸有相似之处。但由于电池活性材料的含能密度，以及反应速度均远低于炸药，因此，其危害程度远不如炸药。

为什么过充电、短路（包括内部短路和外部短路）、机械滥用条件（如挤压、穿刺、振动、跌落等）和高温热冲击等易引起电池爆炸呢？主要是这些因素容易触发电池内部的危险性副反应。如过充电超过一定限度后，电解液势必发生氧化分解，并产生大量的热，导致电池内部温度升高。当温度上升至一定程度后（一般认为130度是一个危险界限），引发前面所述的系列放热反应。当短路发生时，电池因以非常大的电流放电，其温度也极易升至130度以上；而挤压、穿刺、振动、跌落均可能导致电池发生短路现象，高温热冲击则可使电池直接暴露在高温环境下，因此均可能成为电池不安全行为的引发条件。

对于电池燃烧来说，其主要的引发原因是电解液所用溶剂具有易燃性，且闪点过低。所谓闪点就是可燃液体或固体能放出足量的蒸气并在所在容器内的液体或固体表面处与空气组成可燃混合物的最低温度。在锂离子电池电解液中，主要溶剂组分为有机碳酸酯类。如DMC（二甲基碳酸酯）、EMC（乙基甲基碳酸酯）、DEC （二乙基碳酸酯）等，其闪点分别为: 17℃、23℃和33℃。与汽油-50～-20℃的闪点相比，高不了多少。另外，负极碳材料、隔膜和正极导电碳也具有可燃性。当电池处于如上所述的热失控状态时，电池内部的温度和压力均很高。如果电池安全阀能够及时开启，或者电池采用非金属的软质材料为外壳时，电池往往不会发生爆炸。但因压力很大，安全阀开启或外壳破裂时，可燃性电解液蒸汽和有机小分子气体以极快的速度喷出（有文献认为速度为超音速），并与壳壁发生摩擦，摩擦产生的高温足以点燃低闪点的可燃性气体组分，导致电池燃烧。因此，电池发生燃烧的几率高于电池发生爆炸的几率，但电池爆炸必定伴随着燃烧。此外，当电池开裂，并且外界环境的空气湿度较高时，空气中的水分容易与嵌有锂的碳负极发生剧烈的化学反应，并放出大量的热，也可以引起电池的燃烧。由于引起燃烧的原因较多，且复杂，与汽油燃烧机理不完全一样。