JFD：锂电池安全问题真的无解吗？

近年来，手机和负极释放大量热量，然后导致电池燃烧。电极材料的可燃性是锂离子电池和水性二次电池的一大区别。

与过充电和锂金属相关的问题：任何商用二次电池都需要采取有效措施防止过充电，以确保电池充满电，避免因不当过充电而导致的安全问题。锂电池过度充电会导致许多严重后果，如阴极材料晶体结构破坏导致循环寿命恶化，阴极表面电解质氧化导致热失控，以及阴极处锂沉淀导致短路/热失控。

因此，为了锂电池的安全使用，防止过充电是极其重要的。与水性二次电池不同，控制充电电压是防止锂离子电池过充电的唯一保护措施。锂电池充电电压的变化主要是在阴极材料接近完全脱锂状态时引起的，并且很难检测到石墨阴极充电过程的完成（因为其锂嵌入电位非常接近金属锂）。为了避免监测负电压的困难，锂离子电池通常采用正极限容量的设计。

当然，正极极限容量的另一个主要功能是确保负极有足够的额外容量来防止负极析锂。然而，有三种情况会改变负极的过剩容量：

石墨阴极的容量衰减率高于阴极材料，这在几乎所有的阴极材料匹配系统中都得到了证实。

由于电极结构设计不合理或使用条件不当（如高倍率、低温和过充电等），锂与负极部分分离。

电解质和杂质的副反应导致负极充电程度增加，额外的锂存储容量逐渐丧失。

上述任何一种情况的发生都会导致负极储锂能力不足，而锂金属是导致锂电池安全问题的罪魁祸首。这些问题在大容量动力电池中会更加严重，即使使用BMS也无法从根本上解决这些问题。

我想在这里强调的是，随着电池的使用，上述三个因素将变得更加突出，也就是说，旧电池的安全问题将比新电池更严重，而这个问题目前还没有引起足够的重视。

近两年的一个热门话题是动力电池的“梯度发展”，将达到使用寿命的动力电池（理论上剩余70%的容量）重新用于储能目的。这个想法的出发点是好的，但考虑到旧电池的安全隐患和大多数国产动力电池的质量差，我个人认为动力电池的梯度发展在短期内不可行。

事实上，我们也可以从另一个角度来比较水性二次电池和锂电池的安全性。所有二次电池的充电安全性，无论是水性电池还是有机电池，都是基于正极极限容量（过剩负极容量）的基本原理。

如果这一前提消失，过充电的后果是水性二次电池产生氢气，而对于锂离子电池来说，则是锂在负极沉淀。然而，用于各种水性二次电池的水性电解质具有独特的性质，即在过充电过程中，水可以分解为氢气和氧气，氢气和氧气可以在电极上或复合催化剂表面结合产生水，因此，我们不难理解，水性二次电池通常采用“氧气循环”的原理来实现过充电保护。

在锂离子电池中，一旦高活性金属锂从负极沉淀出来，就不可避免地会导致安全问题，因为金属锂无法在电池内部消除。尽管水性二次电池能量密度的进一步提高受到水的分解电压的限制，但别忘了，水也提供了一种几乎完美且不可替代的解决方案来防止过度充电……

r水性二次电池。

从这个角度将锂离子电池与水性二次电池进行比较，锂电池中使用的有机电解质不具有可逆分解和回收的特性，高活性金属锂一旦生产出来就无法被淘汰。因此，从某种意义上说，锂离子电池的安全问题没有解决方案！

一些技术措施的综合应用，如热控制技术（PTC电极）、正负电极表面陶瓷涂层、过充电保护添加剂、压敏隔膜和阻燃电解质，可以有效提高锂电池的安全性，但这些措施并不能从根本上解决锂电池的安全问题，因为锂电池在热力学上是一个不稳定的系统。另一方面，这些措施不仅增加了成本，而且降低了电池的能量密度。

如果我们综合考虑上述因素，就会明白锂电池的“安全性”只是相对意义上的。一些读者可能会注意到，普通电池，如碱锰电池、铅酸电池和镍氢电池，消费者可以直接在商店购买裸芯电池，但锂离子电池是个例外。

根据锂电池行业的规定，电池制造商只会将自己的电池出售给授权的Pack公司，然后Pack公司会将电池和保护板包装成电池组，并将其出售给电器制造商而不是消费者，并且电池组必须严格按照规定的方法使用专用充电器。这种特殊的商业模式背后的逻辑主要是基于锂电池的安全考虑。

此前震惊业界的波音787梦想客机锂电池起火事件，以及最近三星Galaxy Note 7的大规模电池起火爆炸事件，再次为锂离子电池的安全敲响了警钟。

与三星相比，苹果在电池方面一直相对保守和稳定，其电池容量和充电上限电压都低于三星。与Galaxy Note 7中使用的4.4V高压LCO不同，苹果在最近发布的下一代i-Phone 7上仍然使用与i-Phone 6系列相同的4.35V LCO阴极材料。

苹果之所以在电池方面采取保守稳健的策略，主要是出于安全考虑。为了确保安全，苹果宁愿牺牲电池容量和能量密度。据媒体报道，三星因大规模召回Galaxy Note 7而遭受的直接经济损失可能高达20亿美元，间接的品牌价值损失将不可估量。

我在这里需要强调的是，BMS无法解决锂离子动力电池的安全问题，这是由BMS的基本工作原理决定的。动力电池系统的安全性从根本上取决于单体电池，而大型动力电池的安全问题在分组后会被放大并变得更加突出。近年来，国内锂电池行业一直充斥着锂离子电池将统一河流和湖泊，取代其他二次电池的争论。仅仅从安全的角度来看，这种说法无疑是荒谬的。近年来，手机和锂电池的安全性直接关系到正负电极表面钝化膜的完整性和密度，了解这个问题非常重要。

传热角度：锂离子电池的不安全行为（包括电池过充和过放电、快速充放电、短路、机械滥用条件和高温热冲击等）容易在电池内部引发危险的副反应产生热量，直接损坏阳极和阴极表面的钝化膜。

当电池芯的温度上升到130℃时，负极表面的SEI膜发生分解，导致暴露在电解液中的高活性锂碳负极发生剧烈的氧化还原反应，产生的热量使电池进入高风险状态。当电池内部的局部温度上升到200℃以上时，正极表面的钝化膜分解正极产生氧气，并继续与电解质剧烈反应，产生大量热量，形成高内压。当电池温度达到240℃以上时，锂碳阴极与粘合剂之间会发生剧烈的放热反应。

可以看出，负极表面SEI膜的损坏导致高活性嵌锂负极与电解质之间发生剧烈的放热反应，这是电池温度升高和热失控的直接原因。阴极材料的分解和放热只是热失控反应的一部分，甚至不是最重要的因素。

磷酸亚铁锂（LFP）的结构非常稳定。通常不会发生热分解，但LFP电池中仍然存在其他危险的副反应，因此LFP电池的“安全性”只是相对的。从以上分析可以看出，温度控制对锂电池的安全性具有重要意义。与3C小电池相比，由于电池结构、工作模式和环境等诸多因素，大功率电池的散热更加困难，因此大功率电池系统的热管理设计非常重要。

电极材料的易燃性：锂电池中使用的所有有机溶剂都是易燃的，并且它们的闪点太低。不安全行为引起的热失控很容易点燃闪点较低的易燃液体成分，导致电池燃烧。锂电池的负极碳材料、隔膜和正极导电碳也是易燃的。

锂电池燃烧的概率高于电池爆炸的概率，但电池爆炸必须伴随燃烧。此外，当电池破裂，外部环境中的空气湿度高时，空气中的水分和氧气很容易与嵌锂碳负极发生剧烈反应，释放大量热量，进而导致电池燃烧。电极材料的可燃性是锂离子电池和水性二次电池的一大区别。

与过充电和锂金属相关的问题：任何商用二次电池都需要采取有效措施防止过充电，以确保电池充满电，避免因不当过充电而导致的安全问题。锂电池过度充电会导致许多严重后果，如阴极材料晶体结构破坏导致循环寿命恶化，阴极表面电解质氧化导致热失控，以及阴极处锂沉淀导致短路/热失控。

因此，为了锂电池的安全使用，防止过充电是极其重要的。与水性二次电池不同，控制充电电压是防止锂离子电池过充电的唯一保护措施。锂电池充电电压的变化主要是在阴极材料接近完全脱锂状态时引起的，并且很难检测到石墨阴极充电过程的完成（因为其锂嵌入电位非常接近金属锂）。为了避免监测负电压的困难，锂离子电池通常采用正极限容量的设计。

当然，正极极限容量的另一个主要功能是确保负极有足够的额外容量来防止负极析锂。然而，有三种情况会……

改变负极的过剩容量：

石墨阴极的容量衰减率高于阴极材料，这在几乎所有的阴极材料匹配系统中都得到了证实。

由于电极结构设计不合理或使用条件不当（如高倍率、低温和过充电等），锂与负极部分分离。

电解质和杂质的副反应导致负极充电程度增加，额外的锂存储容量逐渐丧失。

上述任何一种情况的发生都会导致负极储锂能力不足，而锂金属是导致锂电池安全问题的罪魁祸首。这些问题在大容量动力电池中会更加严重，即使使用BMS也无法从根本上解决这些问题。

我想在这里强调的是，随着电池的使用，上述三个因素将变得更加突出，也就是说，旧电池的安全问题将比新电池更严重，而这个问题目前还没有引起足够的重视。

近两年的一个热门话题是动力电池的“梯度发展”，将达到使用寿命的动力电池（理论上剩余70%的容量）重新用于储能目的。这个想法的出发点是好的，但考虑到旧电池的安全隐患和大多数国产动力电池的质量差，我个人认为动力电池的梯度发展在短期内不可行。

事实上，我们也可以从另一个角度来比较水性二次电池和锂电池的安全性。所有二次电池的充电安全性，无论是水性电池还是有机电池，都是基于正极极限容量（过剩负极容量）的基本原理。

如果这一前提消失，过充电的后果是水性二次电池产生氢气，而对于锂离子电池来说，则是锂在负极沉淀。然而，用于各种水性二次电池的水性电解质具有独特的性质，即在过充电过程中，水可以分解为氢气和氧气，氢气和氧气可以在电极上或复合催化剂表面结合产生水，因此，我们不难理解，水性二次电池通常采用“氧气循环”的原理来实现过充电保护。

在锂离子电池中，一旦高活性金属锂从负极沉淀出来，就不可避免地会导致安全问题，因为金属锂无法在电池内部消除。尽管水性二次电池能量密度的进一步提高受到水的分解电压的限制，但别忘了，水也为防止水性二次元电池过充电提供了几乎完美且不可替代的解决方案。

从这个角度将锂离子电池与水性二次电池进行比较，锂电池中使用的有机电解质不具有可逆分解和回收的特性，高活性金属锂一旦生产出来就无法被淘汰。因此，从某种意义上说，锂离子电池的安全问题没有解决方案！

一些技术措施的综合应用，如热控制技术（PTC电极）、正负电极表面陶瓷涂层、过充电保护添加剂、压敏隔膜和阻燃电解质，可以有效提高锂电池的安全性，但这些措施并不能从根本上解决锂电池的安全问题，因为锂电池在热力学上是一个不稳定的系统。另一方面，这些措施不仅增加了成本，而且降低了电池的能量密度。

如果我们综合考虑上述因素，就会明白锂电池的“安全性”只是相对意义上的。一些读者可能会注意到，普通电池，如碱锰电池、铅酸电池和镍氢电池，消费者可以直接在商店购买裸芯电池，但锂离子电池是个例外。

根据锂电池行业的规定，电池制造商只会将自己的电池出售给授权的Pack公司，然后Pack公司会将电池和保护板包装成电池组，并将其出售给电器制造商而不是消费者，并且电池组必须严格按照规定的方法使用专用充电器。这种特殊的商业模式背后的逻辑主要是基于锂电池的安全考虑。

此前震惊业界的波音787梦想客机锂电池起火事件，以及最近三星Galaxy Note 7的大规模电池起火爆炸事件，再次为锂离子电池的安全敲响了警钟。

与三星相比，苹果在电池方面一直相对保守和稳定，其电池容量和充电上限电压都低于三星。与Galaxy Note 7中使用的4.4V高压LCO不同，苹果在最近发布的下一代i-Phone 7上仍然使用与i-Phone 6系列相同的4.35V LCO阴极材料。

苹果之所以在电池方面采取保守稳健的策略，主要是出于安全考虑。为了确保安全，苹果宁愿牺牲电池容量和能量密度。据媒体报道，三星因大规模召回Galaxy Note 7而遭受的直接经济损失可能高达20亿美元，间接的品牌价值损失将不可估量。

我在这里需要强调的是，BMS无法解决锂离子动力电池的安全问题，这是由BMS的基本工作原理决定的。动力电池系统的安全性从根本上取决于单体电池，而大型动力电池的安全问题在分组后会被放大并变得更加突出。近年来，国内锂电池行业一直充斥着锂离子电池将统一河流和湖泊，取代其他二次电池的争论。仅仅从安全的角度来看，这种说法无疑是荒谬的。

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