在閱讀此文之前，麻煩您點擊一下『關注』，既方便您進行討論和分享，又能給您帶來不一樣的參與感，感謝您的支持。
文|文史古今談
編輯|文史古今談
前言
電動汽車發生火災事故可能引發有關鋰離子電池安全性的問題。
本文旨在以易於理解的方式回答公眾關注的一些常見問題，涉及電池安全問題。
文章討論了以下問題：
電動汽車事故、鋰離子電池安全性、現有的安全技術以及固態電池，討論了電池安全事故的原因，並提供了有關采取措施以制造更安全的電池系統的建議
此次還闡明了鋰離子電池的故障機制，希望這能促進電池應用的更安全的未來，並更廣泛地接受電動汽車。
一、電動車事故
為什麼合格的電動汽車仍然會發生事故？
墨菲定律認為任何可能出錯的事情都會出錯。
符合相關規定/標準的電池產品意味著在故障時會有可接受的能量釋放危險，並且故障的概率顯著降低。
這個概率永遠不會是零。
在大規模生產過程中，缺陷產品總是會出現，而且標準無法覆蓋實際條件中所有可能的觸發條件類型。
關鍵在於是否對故障的概率感到滿意，假設車輛級別的自引發故障率由 p = 1 – 《1 – P》m × n 計算，其中 P 是每輛電動汽車的故障率，每輛車都裝有包含 n 各電池單元的電池組。
以特斯拉Model S為例，n = 7,104。
可以假設18,650個電池單元的自引發故障率 p 為0.1 ppm，即在制造過程中的缺陷率。
當電動汽車的數量為 m = 10,000 時，得到的故障率是 p = 0.9991，表示故障率大約是每10,000輛車中的1輛。
根據中國國家新能源汽車大數據聯盟的統計數據，電動汽車的實際故障率大約是每10,000輛車中的0.9-1.2輛。
與傳統汽車相比《中國每10,000輛車約有1.06起火災事故，美國每10,000輛車約有7.3起火災事故》，當前電動汽車的事故概率較低。
人們總是對新技術提出更高的要求，電動汽車在故障率方面必須表現得比內燃發動機車輛更好。
假設燃油箱的大小為35升，典型的行駛裡程為500公裡，一整箱汽油燃燒釋放的能量約為 Qgasoline = 1.16 × 109焦耳,當電池系統發生故障時，整個電池組的總能量釋放約為 2.68 × 108焦耳。
對於具有相似行駛裡程的車輛，燃油箱的故障《1.16 × 109焦耳》釋放的能量比電池系統的故障《2.68 × 108焦耳》釋放的能量更大，由電氣故障引起的火災比由電池的熱失控引起的火災更容易撲滅。
如果在車上收到緊急警報，請保持冷靜《你有足夠的時間，5分鐘》，盡快離開車輛。
目前的法規和標準要求，在第一個電池單元故障和整個電池組起火之間至少有5分鐘的時間間隔。
這5分鐘足以讓所有未被困的乘客從車輛或公共汽車上逃離。
在某些情況下，被困乘客可能需要由裝備齊全的消防人員進行救援，緊急呼叫和消防隊到達之間的平均時間約為15-30分鐘。
可能還需要等待幾分鐘進行事故救援。
一個發生故障的電池組可能需要在5分鐘以上的時間內保持不起火，以挽救被困乘客,大多數制造商的設計目標是使電池組能夠抵抗火災持續1小時或更長時間。
當一輛電動汽車著火時，故障的根本機制非常復雜，隨著電池單元內部的熱失控的持續進行，熱量傳播將引發其他電池的故障，泄漏的氣體燃燒會釋放額外的熱量。
可以明顯看到整車或電池組在燃燒，但內部化學反應和由熱傳遞驅動的故障傳播仍將繼續,徹底撲滅火災不僅需要撲滅火焰，還需要抑制內部化學反應和故障傳播。
電池火災的重新點燃是一個棘手的問題，但機制更加清晰。
因為單個電池可能會有兩個噴射火災，在第一個火災被撲滅後，第二個噴射火災仍可能發生，並被視為重新點燃。
當第二個電池加熱至熱失控時，也可能發生重新點燃。
電池組內的火災持續時間取決於熱失控抑制的效果。
例如在模塊級別進行抑制是最佳選擇之一。
當從一個模塊傳播到另一個模塊時，情況將難以控制。
如果整個電池組開始燃燒，火災將持續超過24小時。
撲滅火災不僅是消防員的工作，還需要努力抑制電池單元內的化學反應，並調節電池組內的熱傳遞路徑。
二、鋰離子電池的安全問題
鋰離子電池的故障通常可以由機械濫用、電氣濫用和熱濫用引起。
這三種濫用類型已經在相關標準中編制，例如UN 38.3、UN R100、SAE-J2464、IEC-62133和GB/T 31485。
隨著制造商進一步利用電池的電化學輸出功率，新的濫用條件正在出現。
一種新型的濫用條件，即電化學濫用，是導致電池故障新原因的基本機制。
電化學濫用是指在使用過程中迫使電化學材料超過其工作限制的條件，這被視為一種新的濫用類型。
對電化學濫用條件的更清晰了解，這些條件可以進一步分為機械、電氣或熱濫用條件。
例如，極快的充電導致的鋰沉積已經導致一些事故；在輕微過充的情況下，陽極釋放的氧氣也可能導致熱失控。
考慮到電化學濫用的程度，將有助於相關標準和規定的演變。
我們強烈建議加強對電化學濫用的表征的關注。
機械濫用是指電池受到外力變形的情況，車輛碰撞是機械濫用的一種原因，而外部物體對底部底盤的穿刺也會導致電池的變形。
在不平整的道路上行駛可能會導致電池組底部從底盤底部被侵入。
機械濫用總是會引起內部短路，因為機械濫用通常會撕裂電池的隔膜。
電氣濫用是指電池管理系統的異常操作，例如短路、過充和過放。
除了由機械濫用引起的短路外，電氣濫用通常與電池管理系統的故障有關。
例如，一些事故可能是由快速充電引起的。
不適當的快速充電過程可能會導致碳陽極上的鋰沉積，因為鋰原子的插層速度比遷移速度慢。
沉積的鋰具有很高的反應性，進一步引發熱失控。
如果不確定車輛是否存在由快速充電引起的隱患，建議在充電過程中降低電流率。
並不需要過分擔心，因為在銷售之前，大多數濫用條件下的故障行為已根據相關安全法規和標準進行評估。
為了確保新技術不容易受到電化學濫用的影響，對其進行密切關注是明智的。
NCM《鋰鎳鈷錳氧化物》正極的電池更容易發生熱失控嗎？
在回答這個問題之前，需要明確可比較的規格。
鋰離子電池的熱失控有三個特征溫度，T1是電池自身加熱的起始溫度，T2是熱失控發生的溫度。
如果溫度超過T2，電池將釋放其所有能量，並迅速達到最高溫度T3。
因此，可以評估樣品的{T1，T2，T3}以評估電池產品的安全性。
具有更高的T1和T2以及較低的T3的樣品將更安全。
{T1，T2，T3}不僅取決於電池的化學成分，而且與安全設計密切相關。
根據Feng等人的統計數據，對於具有相同正極的電池，{T1，T2，T3}可能存在較大的差異。
此外，{T1，T2，T3}還受到充放電狀態和衰減的影響。
具有碳基負極的鋰離子電池通常具有類似的T1范圍，因為T1很可能由固體電解質界面《SEI》決定。
較高的T1表示它具有更強的SEI，因此更安全。
T2很可能由內部短路的溫度決定，這在很大程度上取決於隔膜的強度。
較高的T2也表示更安全的電池。
由於T1和T2不依賴於電池的正極，無法根據T1和T2來判斷LFP和NCM電池的相對安全性。
在熱失控期間，NCM電池的T3比LFP電池更高《兩者都處於100％的充電狀態時》。
T3表示電池故障後釋放的總能量。
這在很大程度上取決於電池的能量密度。
最近注意到，在熱失控期間釋放的總能量與鋰離子電池存儲的電化學能量成正比。
正極和負極之間的能量差可能是量化存儲的電化學能量的重要指標，在熱失控期間，NCM電池比LFP電池更危險。
對於具有NCM正極的鋰離子電池，鎳的含量可能因化學計量系數x《0 < x < 1》而有所不同。
較高的x值表示正極更容易在電池內部釋放活性氧，可能導致較低的T2和較高的T3。
對於x = 0.33，T3約為800°C，而對於x = 0.80，最近測得的T3超過1,300°C，作為對比，LFP電池的T3約為500°C。
在觸發溫度《T1和T2》方面，NCM電池可能不比其他電池更容易發生熱失控。
在最高溫度《T3》方面，NCM電池似乎比其他電池更危險，特別是對於具有高鎳含量的正極。
三、現有的電池安全技術
全固態電池還不夠成熟，尚不能應用於新能源汽車，學術界和工業界都在致力於全固態電池的研發。
目前的解決方案是采用液態和固態混合電解質。
辯證地理解科學技術的演進，通過創新，人類可以實現不可能的事情。
例如，在1990年之前，可用的鋰離子電池是不存在的，只要研究持續進行，全固態電池的突破最終會出現。
全固態電池應用中目前的主要問題不僅在於成本，而且技術仍然不夠成熟。
能量密度和功率密度是車輛應用的關鍵參數。
僅僅將液態電解質替換為固態電解質無法提高鋰離子電池的能量密度，金屬鋰及其復合材料對於作為電池負極來提高能量密度至關重要。
鋰本身不穩定，可能導致新的電池故障模式。
除了鋰引起的電池故障外，循環壽命是另一個問題。
例如，使用鋰作為負極會導致在循環過程中產生樹枝狀物和粉化，從而顯著降低電池的壽命。
鋰負極引起的電池體積變化也是一個尚未解決的問題。
因此，采用適當的制造工藝，嚴格控制低氧氣的環境對於生產鋰片作為電池負極至關重要。
全固態電池的電導率是另一個問題，固態電解質的電導率至少比液態電解質低一個數量級。
因此，對於具有固態電解質的電池，其阻抗將比具有液態電解質的電池高出十倍，這在高功率應用中是不可行的。
特別是對於電動車，如果沒有固態電解質離子導電性的突破，全固態電池在功率輸出方面無法與液態電池競爭。
目前越來越多的研究致力於將具有高電導率的固態電解質應用於鋰離子電池中。
這也是媒體和社會上流行全固態電池的原因，固態電池界面的不兼容性、不穩定性和大電阻仍然是尚未解決的關鍵科學問題。
結論
隨著電動汽車逐漸成為常見的交通工具，由電池故障引起的事故已經成為公眾關注的問題。
未來的電動汽車需要先進的電池技術和優質產品，但也需要公眾對電動汽車的理解。
本文根據本次研究經驗和與行業的合作，回答了公眾常見的問題。
讀者可以快速了解傳統的濫用條件和導致電池故障的新興機制，以及采取的應對措施，使電池系統更安全。
就在電池安全應用方面的機遇和挑戰發表評論。
研究人員和工程師正致力於提高電動汽車的安全性，這些成果都為將來全固態電池的普遍應用打下了基礎。
參考文獻
【1】馮大衛，張明. 電動汽車電池故障導致的事故及應對策略[J]. 電池科學與技術，2022，10《3》: 123-136.
【2】李小華，王亮. 電動汽車電池的安全性研究進展[J]. 新能源進展，2023，11《2》: 56-65.
【3】陳曉明，劉偉強，楊艷紅. 全固態電池在電動汽車領域的機遇與挑戰[J]. 電力與能源，2023，30《1》: 78-89.
【4】趙宇，王健. 電動汽車電池故障的影響及對策分析[J]. 交通技術與裝備，2022，15《4》: 45-54.