從熱失控下鋰電池內部反應，看氣體檢測的重要性

2023-07-11 08:41:27

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通常，鋰電池的熱失控是受到3種濫用的影響而引起的，分別是機械濫用、電濫用、熱濫用。

機械濫用指電池受到碰撞、擠壓、針刺等外部受力，使鋰電池內部隔膜破裂，促使正極與負極相連，從而引發(fā)內部短路。
電濫用指電池受到內部、外部短路，過(guò)充、放電，一旦鋰電池內部出現短路，大量熱量會(huì )被釋放，更高溫條件下的化學(xué)反應會(huì )被觸發(fā)，這些反應又進(jìn)一步地釋放熱量，這就相當于外部熱源不斷對電池加熱，即熱濫用
熱濫用指電池受到外部加熱，一旦電池內部熱量積累到一定程度，熱失控爆發(fā)

圖源網(wǎng)絡(luò )

鋰電池是由正極、負極和電解液組成的。在鋰電池內部，正極和負極之間存在隔膜，不會(huì )直接反應，主要是正極和負極自身及它們分別于電解液的化學(xué)反應。

圖源網(wǎng)絡(luò )

正極和電解液的反應

正極材料是在過(guò)渡金屬氧化物基礎上發(fā)展而來(lái)，正極的熱分解會(huì )釋放出大量的氧氣，而氧氣正是發(fā)生熱失控的必備因素。另外，二氧化碳會(huì )因為氧氣的存在大量析出，同時(shí)還有煙霧C2H5F。

負極和電解液的反應

負極表面包裹著(zhù)固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)，用于阻止負極與電解液的直接反應。一旦SEI分解，負極將直接暴露在電解液中，并與電解液之間反應。

電解液反應

除了正極、負極與電解液的反應外，電解液自身也會(huì )發(fā)生分解。

鋰電池內部化學(xué)反應的不同，產(chǎn)生了不同的固體產(chǎn)物和氣體產(chǎn)物，并釋放大量熱量。當大量熱量積累過(guò)度后，鋰電池的熱失控將被觸發(fā)。

通過(guò)對鋰電池內部化學(xué)反應的梳理發(fā)現，鋰電池在升溫過(guò)程中會(huì )析出多種氣體：O₂、CO₂、C₂H₄、C₄H₁₀、POF₃、C₂H₅F、PF₅、H₂等。換而言之，不同的氣體是不同化學(xué)反應的必然產(chǎn)物。

對鋰電池熱失控的預警診斷是保證鋰電池可靠工作的重要前提。因此，析出氣體可以作為特征量被用于鋰電池熱失控的預警診斷。

不過(guò)，鋰電池在正常工作時(shí)也會(huì )產(chǎn)生一部分氣體，如CO、C₂H₄和C₄H₁₀，與溫度升高情況下產(chǎn)生的氣體存在差異，根據二者的顯著(zhù)不同，例如氣體含量、氣體變化率、氣體種類(lèi)等方面，綜合監測可以實(shí)現對鋰電池熱失控更為精確的預警。在實(shí)際應用中，需要選擇針對性的傳感器，并設定相應閾值進(jìn)行判斷。

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