隨著鋰離子電池的大規模普及應用，世界范圍內有一些新能源汽車和儲能電站的電池在正常使用情況下突然自燃，這些電池的歷史運行數據往往顯示事故發生前并無異常。目前學術界和工業界對電池突然自燃的形成原因和預警方法都還存在很多困惑。清華大學歐陽明高院士團隊與蜂巢能源科技股份有限公司合作，揭示了電池突然自燃的形成原因和演化機制，復現了電池在正常使用情況下的突然自燃，并提出了對應的安全預警和防控方法，該成果在國際交通電動化雜志eTransportation上發表，并獲得2項國家發明專利授權。  

1. 背景介紹

鋰離子電池不僅被廣泛應用于消費類電子產品，也成為了目前交通電氣化和儲能電站等大規模儲能領域中的主要儲能載體。但近年來國內外也發生了很多鋰離子電池導致的安全和自燃事故，相當一部分還是在擱置階段和正常充電過程中。2020年8月，國家市場監督管理總局對65起新能源汽車火災事故調查結果顯示動力電池故障是火災事故的主要原因，占比達77%。

目前的新能源汽車和儲能電站一般會配有電池管理系統(BMS)和大數據云平臺進行監管和安全預警，通過對非濫用情況下（無過充、過放、加熱、碰撞、擠壓、泡水、外短等情況）的事故電池歷史數據進行調查發現，有些電池起火事故發生前沒有任何征兆（電壓、溫度、SOC、容量、一致性等表現正常），往往在數秒內就發生了熱失控或起火，即突然自燃，也被稱為“突然死亡型熱失控”、“猝死型熱失控”和“突發型熱失控”，嚴重危害人民生命財產安全和新能源行業健康發展。目前學術界和工業界對電池突然自燃的形成原因和預警方法都還存在很多困惑。

2. 電池突然自燃原因、復現和預警

清華大學歐陽明高院士團隊與蜂巢能源科技股份有限公司多部門合作，從電池全生命周期管理角度出發，對涉及電池安全的各個生產工序和使用環節進行全面剖析和研究，重點就可能造成電池突然自燃的顆粒雜質異物缺陷問題（焊渣、粉塵、顆粒雜質等，粒徑一般在幾十到幾百微米級別）展開了研究。為了研究成果能夠指導產業實際，該項研究并不是在傳統實驗室中進行，而是選擇了在電池試制線上，并且是大容量動力電池，而不是實驗室中常用的微型電池。如圖1所示，在電池試制線上的一個裝配工序，人為故意在一些電池半成品中分別植入不同粒徑的異物后，重新投入試制線，并監控這些人為制作的異物缺陷電池在試制線后續的所有數據和狀態變化。通過對出現異常情況的電池拆解，揭示了不同粒徑大小異物對電池的影響情況和規律。

圖1 異物缺陷電池制作過程

將在試制線上人為制作的缺陷電池進行了常規老化循環充放電測試實驗，測試過程中無任何熱濫用、機械濫用、電濫用等操作，其中一個異物缺陷電池（電池A）在前11圈的循環中數據無異常，但在第12圈的恒流充電階段發生了突然自燃。如圖2所示，根據數據分析發現，根據基于傳統一致性(單體間電壓差異、溫度差異、SOC差異等)的診斷算法無法實現早期預警，作者提出了一種面向電池全生命周期的安全預警方法，不受單體間不一致性的影響，根據該次實驗結果表明可實現提前4分鐘的預警。

圖2 恒流階段突然自燃電池數據分析

3. 電池內短路熔斷現象、復現和預警

在另一個缺陷電池（電池B）的常規老化循環實驗過程中，數據顯示電池在一次恒壓充電過程中出現了電流很快上升又很快恢復的現象，為了確定電池內部情況，作者對電池進行了CT觀測和拆解分析，從而揭示了電池內短路熔斷現象，如圖3所示，即異物受極片膨脹刺破隔離膜和絕緣膜后，引發了鋁殼與最外側負極片的短路（電池四種內短路類型中最為嚴重的短路類型），短路電流造成電池局部溫升，高溫使得絕緣膜熔化和內短路回路熔斷，電池又恢復了正常的現象。

圖3 電池內短路熔斷現象

此外還發現有一個缺陷電池（電池C）在循環到第309圈時發生了內短路熔斷現象，作者為了研究內短路熔斷電池的安全性，讓其繼續循環，該電池在第417圈時發生了突發自燃，這說明發生過內短路熔斷的電池依然具有再次內短路的風險，作者也提出了電池內短路熔斷故障篩查和預警的方法，并建議對于已經發生過內短路熔斷的電池需要進行報廢處理。

圖4 電池內短路熔斷后再次發生熱失控的數據情況

圖5 電池發生突然自燃后的殘骸

4. 總結

不同于以往用針刺、擠壓、過充、外短、泡水、外部加熱等濫用行為觸發的電池熱失控，也不同于通過在電池內部植入記憶合金、低熔點合金、石蠟等物質（這些物質不可能在電池實際生產制造過程中被混入）觸發的電池熱失控，作者首次復現了電池在正常使用情況下自引發的突發型熱失控，更加接近于實際生活中出現的電池突然自燃。另外，還復現了電池在正常使用情況下自引發的內短路熔斷現象。這項研究證明了電池內部特殊位置的顆粒雜質異物缺陷是引發電池突然自燃的罪魁禍首，揭示了異物缺陷引發電池內短路和熱失控的演化過程和影響規律，提出了突然自燃的預警方法和防控方法。

該研究工作是清華大學歐陽明高院士團隊與蜂巢能源科技股份有限公司合作完成，研究成果獲得2項國家發明專利授權，在國際交通電動化雜志eTransportation上發表，雙方從材料、單體設計、產品質量控制、安全預警、熱管理等方面提出了針對電池突然自燃防控的電池全生命周期整體解決方案，并在蜂巢能源電池產品上得到應用，全方位保障電池安全。

圖6 電池突發型熱失控防控專利

更多詳細完整內容請參閱原文，原文下載和引用：

Kong, X., L. Lu, Y. Yuan, Y. Sun, X. Feng, H. Yang, F. Zhang, J. Zhang, X. Liu, X. Han, Y. Zheng and M. Ouyang. Foreign matter defect battery and sudden spontaneous combustion. eTransportation. 2022;12. doi: https://doi.org/10.1016/j.etran.2022.100170.