電動汽車因何爆炸？揭開鋰電池“王炸”的秘密_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2020-10-30 13:47
撰文 | 李存璞（重慶大學化學化工學院副教授）
2020年10月27日晚間，一輛位於北京北四環的威馬EX5電動汽車發生自燃爆炸，是最近一個月以來威馬汽車的第三起自燃起火事件。此事再次將電池安全性問題推上風口浪尖。威馬隨後發佈的官方聲明表示：“此次事件是由於電芯供應商在生產過程中混入了雜質，導致動力電池產生異常析鋰，極端情況下可能導致電芯短路，引發動力電池熱失控併產生起火風險，存在安全隱患。”
一般而言，電動汽車起火自燃往往是其內部的鋰離子電池組自燃所導致的。隨着近年來新能源汽車的推廣，基於鋰離子電池的電動汽車（也包括手機等）已經曝出了多起自燃、爆炸的新聞。鋰離子電池早已，並且將在未來一段時間持續充斥於我們的生活當中，其安全性問題自然成為大家關注的熱點。在這篇文章中，我們將簡單介紹現有鋰電池的原理，進而討論其發生自燃的原因，最後通過Q&A回答下大家可能關心的問題。
1 鋰離子，“住在單身宿舍”的電池王者
2019年，諾貝爾化學獎授予了三位對鋰離子電池發明和發展具有傑出貢獻的科學家與工程師。但同時也再一次將鋰離子電池的安全問題推向了輿論的中心。
鋰金屬是自然界中最輕、電極電勢最低的金屬，這意味着同樣質量的金屬之中，鋰可以攜帶最多的電荷，並提供最高的電池電壓，是電池中的“王者”金屬。因此早在上世紀初，1912年，美國著名化學家Gilbert N. Lewis就已經開始了鋰電池的研究；然而真正商業化應用的鋰電池到上世紀70年代才得以發展。
儘管人們往往將鋰離子電池簡稱為“鋰電池”，但事實上鋰離子電池中並沒有金屬單質鋰。現代主流的電極材料中，負極多為石墨，而正極多為各類鋰鹽。通過簡單的數學計算即可知
如圖2所示，由於鋰本身性質活潑，如果不將鋰離子加以限制，而是將鋰離子直接還原為鋰金屬，那麼在鋰沉積的過程中，總有某一部分位點會有鋰離子先沉積下來。先沉積下來的鋰離子被還原為鋰金屬，成為帶電更多的“尖端”。尖端周圍形成更強的電場，促進後續鋰離子優先沉積。這種先沉積的鋰，形成更強電場，誘導更多鋰繼續加速沉積的現象，被我們稱為鋰沉積的“馬太效應”——如同經濟學的馬太效應一樣，初期的優勢積累將在後期產生巨大的差異性。因此，大量尖鋭而分形的鋰枝晶會不斷形成，最終刺穿隔膜，造成電池內部短路，從而使得電池內部電解液分解，導致電池自燃、爆炸。所以早期基於金屬鋰電池的電池已經由於安全問題而被淘汰了。
我們可以方便地在白板上模擬鋰枝晶生長的馬太效應。如圖3所示，把白板擦拭濕潤，白板筆畫線後，墨水會往外擴散，初始生長得快的墨水線會沿着白板更快地擴散，從而生長出“墨水枝晶”。
因此，儘管鋰金屬單質可以提供更大的容量、更高的功率，但“跑得快不一定贏，不跌跟頭才是成功”。反而鋰金屬單質的析出，進而產生枝晶，是造成鋰電池爆炸的重要因素之一。
2 “王炸”
近幾十年來，真正使鋰離子電池擁有如今奪目光輝的，恰恰是前述的那些白白佔據重量、拉低電池容量的碳、鈷、氧們。如圖4所示，鋰離子在負極被嵌入到石墨/石墨烯中，鋰離
然而，“王”依然會爆炸——即使王僅僅以離子的身份穿梭於電池內部，而沒有以其單質的本尊就坐於電池之內，但還是會由於種種原因而產生意外。
如圖5所示，鋰離子電池的正負兩極會用聚丙烯、聚乙烯的多孔隔膜分割開來。這類多孔隔膜類似口罩中的熔噴層，可以透過鋰離子，但會阻隔電子。與此同時，永遠不要忘記鋰是最活潑的金屬之一，這要求鋰離子電池內部不能使用水作為電解質溶劑，那麼電池內部鋰離子的運輸，只能依賴醚類、酯類等有機溶劑。這些有機溶劑本身易燃易爆，同時還容易在電極上發生分解反應，從而導致電池自燃或爆炸。但萬變不離其宗，電池的爆炸基本都可以歸結為以下兩種失控：熱失控與電失控。
① 熱失控。熱失控是指電池內部温度持續升高。造成熱失控的原因很多，主要是由於電池內部短路。短路電流會產生大量的熱量，使得有機電解液分解-電池鼓包-最終電池破裂-自燃-爆炸。幾年前報道出來的三星Note 7手機的幾起事故，就是由於電池內部金屬毛刺或隔膜破裂，進而引發短路而造成的。
在非撞擊的情況下，電池內部結構或材料的缺陷也可能會導致熱失控。例如正極、負極的金屬極片可能存在一些切割、加工所造成的鋒利凸起，會劃傷脆弱的隔膜，從而導致電池持續性內短路，最終引發電池熱失控；而如果電池材料有雜質，造成鋰離子不進入“格子間”，而是沉積在電極材料表面，就會形成此次威馬汽車所聲稱的“析鋰”現象，產生尖鋭的鋰枝晶，刺破隔膜而熱失控。
而各類電動汽車受到撞擊之後，如果電池被穿刺，也會造成電池內部短路從而失火爆炸。
② 電失控。熱失控是電池內部缺陷或外界意外導致的，而電失控往往來自於人禍。在電池充電時（圖5的反過程），如果電池已經被完全充電，但電路控制系統並沒有結束充電過程，或者放緩充電速度，將會使得電池過度充電，產生電失控。
一種情況是已經沒有鋰離子可以繼續遷移到負極從而沉積，那麼電池內部的有機電解液將在電極上分解，從而產生大量氣體，導致電池鼓包、爆炸。早年的萬能充電器由於沒有安全可靠的充電控制系統，常常會把電池充鼓包。
另一種是過度充電，但鋰離子“格子間”不夠導致的析鋰電失控。當電池充滿時，還有自由鋰離子可以遷移至負極，而負極的石墨“格子間”已經被填滿，此時鋰離子只能沉積在石墨外側析出鋰金屬單質（對，又是析鋰）。鋰金屬單質將會產生枝晶，從而刺穿隔膜，引發熱失控，最終導致電池自燃、爆炸。除了電池過度充電之外，過度追求快速充電也可能會導致電失控：在電池已經快要充滿的時候，大電流的充電將可能使鋰離子過快地來到負極，但來不及進入格子間，同樣會產生鋰金屬單質。因此，合理設計的多重安全閘門的充電管理系統對預防電池熱失控至關重要。
3 問答
Q1：沒在行駛，也沒在充電的電動汽車為什麼會自燃？
A1：很可能之前電池內部已經形成了小規模短路，停車期間電池持續放熱，最終熱失控而自燃。
Q2：快充會傷害電池麼？
A2：如果沒有外電路優化，那麼充電速度過快會傷害到電池壽命。但事實上大多數手機和汽車電池都會在電池快要充滿時減慢充電速度，給鋰離子足夠的時間慢慢回到自己的單間，所以快充對電池性能的影響有限。而且，某品牌手機的“五福一安”真的太慢了吧。
Q3：過度放電會有安全風險麼？
A3：過度放電對電池有很大的危害，很可能由於鋰離子徹底走掉造成電極材料的坍塌，從而讓鋰無家可歸。後續的循環可能會導致電失控，因此從電池壽命和安全角度都不建議電池過度放電。所以“對不起，我的手機只有90%電量，先不聊了”可能也不僅僅是推脱，畢竟TA可能真的很愛惜電池與生命。
Q4：電動汽車到底安全麼？電池既然會爆炸，為什麼人們還敢開着電動汽車上高速？
A4：人們甚至敢開着燃油車，坐在幾十升汽油上面，在高速公路上飛奔。
Q5：為什麼冬天電動汽車續航下降得很厲害，以至於車主想要外加內燃機的加熱裝置？
A5：鋰離子在低温環境下遷移速率顯著變慢，相當於電池內阻明顯增加，因此電池能夠釋放的功率和能量都會下降。為了保證電池足夠的功率輸出，還需要利用電池一部分能量給電池進行加熱，使得本不富裕的電池雪上加霜。因此背一個內燃機小書包，既可以取暖加熱，又可以保證續航，成為了不少車主的選擇。
Q6：未來會怎樣？
A6：更加安全、可靠、高性能的鋰電池必將出現。而且，我們一直想對鋰金屬單質做一次文藝復興。
“誰人沒試過猶豫，達到鋰想不太易。”
作者簡介：李存璞，河南開封人，1986年出生，重慶大學化學化工學院副教授，博士生導師，bilibili賬號“李肚鍍”。在清華大學化學系和核能與新能源技術研究院分別取得本科和博士學位。博士畢業後就職於重慶大學化學化工學院，主要開展低成本、高性能陰離子交換膜的設計與合成；鋰硫電池高效隔膜的研究；金屬-空氣電池催化層研究。以第一作者和通訊作者發表SCI論文十餘篇，主持國家自然科學基金面上項目、青年項目，以及國防項目等三項。電子郵箱：[email protected]
