蓄电池热失控监测中析氢情况的剖析与监测策略探究

        热失控对锂离子电池安全性影响广泛且严重，涵盖燃烧爆炸、电解液泄漏、性能衰退以及对电池系统的不良影响等多方面危害。        1.燃烧和爆炸风险        燃烧过程：热失控过程中，电池内部的化学反应会产生大量的热，使电池温度急剧升高。当温度达到电解液的燃点时，电解液可能会燃烧。例如，常用的碳酸酯类电解液在高温和有氧气存在的情况下容易起火燃烧。燃烧会释放出有毒有害气体，如一氧化碳、二氧化碳等，对周围环境和人员造成危害。        爆炸现象：热失控还可能导致电池爆炸。在电池内部，由于化学反应产生的气体不断积聚，使得电池内部压力迅速增加。如果电池的安全阀等安全装置失效，或者压力增加的速度超过安全阀的泄压速度，电池外壳就可能破裂，甚至引发爆炸。这种爆炸可能会造成严重的物理伤害，并且会使电池内部的活性物质和电解液等喷溅出来，进一步扩大危害范围。        2.电解液泄漏风险        泄漏途径：热失控过程中，电池内部压力升高，可能会导致电池外壳破裂或者密封结构失效，从而使电解液泄漏。此外，电池内部的一些化学反应也可能会腐蚀电池的外壳或者密封材料，加速电解液的泄漏。例如，当电池内部产生的酸性或碱性物质与密封材料发生反应时，会破坏密封性能。        泄漏危害：电解液通常含有锂盐和有机溶剂等成分，其中一些有机溶剂是有毒有害的。一旦泄漏，这些电解液可能会接触到人体皮肤、眼睛等部位，引起化学灼伤或者中毒。同时，电解液泄漏到周围环境中，还可能会污染土壤、水源等，对生态环境造成破坏。        3.电池性能衰退风险        容量衰减：热失控会对电池的容量产生不可逆的影响。一方面，电池内部的高温可能会导致电极材料的结构发生变化。例如，正极材料在高温下可能会发生晶格畸变，使锂离子的嵌入和脱出变得困难，从而导致电池容量下降。另一方面，热失控过程中的化学反应可能会消耗电池内部的活性物质，减少能够参与充放电过程的锂离子数量，也会导致电池容量的损失。        功率性能下降：热失控还会影响电池的功率性能。电池内部的高温可能会使电极材料与集流体之间的接触电阻增大，降低电池的导电性能。同时，电池内部产生的气体可能会阻碍离子在电解液中的传输，导致电池的内阻增加，从而使电池在高功率输出时的性能下降，如无法满足电动汽车的加速需求等。        4.对电池系统的影响风险        热失控传播：在电池组或者电池系统中，一个电池发生热失控可能会引发相邻电池也发生热失控，这种现象称为热失控传播。这是因为热失控产生的热量会传递给相邻的电池，使相邻电池的温度升高，达到其热失控的触发温度。热失控传播可能会导致整个电池系统的崩溃，造成严重的安全事故。        系统故障和失效：热失控会导致电池系统中的电池出现故障，如短路、断路等。这些故障可能会影响电池系统的正常运行，例如，在电动汽车中，电池系统故障可能会导致车辆失去动力，在储能系统中，可能会导致电力供应中断等。

        一、锂离子电池热失控机理的研究现状：        1.引发因素的深入研究：        内部短路：机械外力作用（如碰撞、挤压、针刺）导致电池内部结构变形，使隔膜被刺破或损坏，正负极直接接触引发短路，这是热失控的常见因素之一。制造过程中的工艺问题或质量控制不严格，导致电极材料不均匀分布、隔膜缺陷等，也可能在电池使用过程中逐渐发展成内部短路。        电解质分解：高温条件下，锂离子电池中的有机溶剂会发生分解，产生气体和热量。常用的碳酸酯类有机溶剂在高温下会分解成一氧化碳、二氧化碳等气体，并且电解质分解产生的气体和热量会进一步与电池内部的其他物质发生反应，进一步加剧热失控。        正极材料分解：高温环境下，正极材料的结构会发生变化，化学性质变得不稳定。例如钴酸锂等正极材料在高温下会分解产生氧气，氧气的释放会增加电池内部的氧气浓度，为燃烧等剧烈反应提供条件，并且正极材料分解产生的氧气会与电解质发生反应，进一步释放热量。        负极材料反应：负极表面的固态电解质界面膜（SEI 膜）在电池温度升高或受到其他因素影响时会发生分解，导致负极与电解质之间的直接接触，引发一系列反应，产生热量。此外，充电速度过快或电流过大时，负极表面可能会形成锂枝晶，锂枝晶会刺穿隔膜，导致正负极之间的短路，从而引发热失控。        电池过充：过度充电时，正极材料中的锂离子过度脱出，导致正极材料的结构发生变化，同时电池内部的电压升高，引发一系列副反应。电解液组分在正极表面发生不可逆的氧化分解反应，产生气体并释放大量热量，导致电池内压增加和温度升高。        2.复杂反应过程的探索：        多阶段反应特征：热失控是一个多阶段的过程，目前研究将其大致分为几个阶段，不同阶段有不同的主要反应和热量释放特点。例如，最初可能是 SEI 膜的分解，随后是隔膜坍塌、内部短路，接着是正极与电解液的剧烈反应等。        相互耦合的反应：电池内部各组件之间的反应相互影响、相互耦合。例如，负极产生的气体可能会穿梭到正极侧，加速正极的放热反应；正极材料分解产生的氧气又会进一步促进电解质的分解等。        3.原位检测技术的发展：为了更准确地理解热失控机理，原位检测技术得到了快速发展。如中国科学技术大学孙金华教授和王青松研究员团队与暨南大学郭团教授团队研制出可植入电池内部的高精度、多模态集成光纤传感器，能够实现对电池热失控全过程内部温度和压力的同步精准测量，为研究热失控的演变过程提供了有力的技术手段3。        4.对电池体系热兼容性的关注：研究人员认识到电池材料（电极材料、电解质、添加剂等）之间的热兼容性对电池安全性至关重要。单纯提高某一组分的热稳定性无法确保电池整体的安全性能提升，需要综合考虑各组分之间的相互作用。        二、锂离子电池热失控机理的发展趋势：        1.多尺度研究：        微观尺度：借助先进的表征技术，如高分辨率电子显微镜、同步辐射 X 射线技术等，深入研究电池材料在微观层面的结构变化和反应机理。例如，探究电极材料在热失控过程中的晶体结构演变、元素价态变化等，以更好地理解热失控的起始机制和微观反应过程。        宏观尺度：在宏观层面，关注电池模组和电池系统的热失控传播机制。研究热失控在电池组内的传播规律、热传递方式以及如何通过结构设计和热管理策略来抑制热失控的传播，对于提高大型电池系统的安全性具有重要意义。        2.跨学科研究：        与材料科学结合：开发新型的电池材料，如具有更高热稳定性的电极材料、不易燃的电解质、耐高温的隔膜等。通过材料的创新来提高电池的安全性，从根本上降低热失控的风险。例如，研究固态电解质替代传统的液态电解质，以解决液态电解质易燃的问题，同时提高电池的安全性和能量密度。        与热物理学结合：深入研究电池内部的热传导、热扩散等热物理过程，建立更准确的热模型。这有助于更好地理解热量在电池内部的传递和积累过程，为电池的热管理设计提供理论依据。        与人工智能和大数据结合：利用人工智能算法对大量的实验数据进行分析和挖掘，预测电池的热失控行为。通过建立电池的数字孪生模型，模拟不同工况下电池的热行为，为电池的设计、制造和使用提供指导。        3.实际应用场景的针对性研究：        电动汽车应用：随着电动汽车的快速发展，对锂离子电池在复杂使用环境下（如高温、低温、快速充放电等）的热失控机理研究将成为重点。研究如何提高电动汽车电池系统的安全性，开发有效的热失控预警和防控技术，以满足电动汽车的安全标准和市场需求6。        储能领域应用：在大规模储能领域，锂离子电池的安全性要求更高。研究人员将关注电池组在长期储能过程中的热稳定性，以及如何应对可能出现的热失控风险。同时，开发适用于储能系统的热管理技术和安全监控系统，保障储能系统的安全运行。        4.标准化研究：随着锂离子电池的广泛应用，制定统一的热失控测试标准和评估方法将成为未来的发展趋势。这有助于准确评估不同电池产品的安全性，为行业的健康发展提供保障。

        锂电池热失控产生的气体成分较为复杂，主要包括以下几种：        1.二氧化碳（CO₂）        这是一种常见的气体产物。在电池热失控过程中，当电池内部的有机电解液等成分发生分解和燃烧反应时会产生二氧化碳。例如，碳酸酯类电解液在高温下分解，其中的碳元素会与氧气结合形成二氧化碳。        它是一种无色无味的气体，在大气中的含量增加会对环境产生温室效应。在电池热失控产生大量二氧化碳的情况下，如果处于密闭空间，会使空间内氧气含量相对降低，可能导致人员窒息。        2.一氧化碳（CO）        一氧化碳主要是由于电池内部材料在不完全燃烧或复杂的热化学反应过程中产生。当电池热失控导致内部的碳基材料（如石墨负极等）不能完全氧化时，就会产生一氧化碳。        一氧化碳属于一种剧毒气体，它能与人体血液中的血红蛋白结合，其结合能力比氧气与血红蛋白的结合能力强很多。一旦人体吸入一氧化碳，会使血红蛋白失去携氧能力，从而导致人体组织器官缺氧，严重时可致人死亡。        3.氢气（H₂）        电池热失控时，一些金属氢化物（如果有）的分解或者水电解质（如果存在）的分解反应可能会产生氢气。例如，在含有少量水分的电池体系中，高温下水分会发生分解反应。        氢气是一种易燃易爆的气体。在空气中，氢气的体积分数达到 4.0% - 75.6% 时，遇到火源就会发生爆炸，所以电池热失控产生的氢气会带来很大的安全隐患。        4.甲烷（CH₄）        甲烷的产生可能是由于电池内部有机成分（如某些有机粘结剂或电解液中的添加剂）在高温和复杂的化学反应环境下分解产生。        它是一种可燃性气体，在空气中燃烧会产生二氧化碳和水。当电池热失控产生甲烷时，若遇到火源等情况，会引发燃烧，加剧事故的危害。        5.乙烯（C₂H₄）        乙烯也是有机电解液等成分在高温分解过程中产生的气体。在电池热失控过程中，电解液中的一些复杂有机化合物会发生裂解反应，生成乙烯等小分子烃类化合物。        乙烯是一种重要的化工原料，但它在电池热失控的场景下是易燃气体，容易引发火灾。其在空气中的爆炸极限为 2.7% - 36%。        6.丙烯（C₃H₆）        与乙烯类似，丙烯也是从电池内部有机材料分解而来。电解液中的长链有机化合物在高温和复杂化学反应下，可能断裂生成丙烯。        它同样是一种易燃气体，燃烧时会产生二氧化碳和水，在适当的浓度和火源条件下会发生爆炸，从而扩大电池热失控事故的危害范围。