被广泛应用于电动汽车上电动汽车电池起火事件也是屡见不鲜。那么有哪些因素会导致锂电池起火呢以下5个作死科学实验带你一探究竟。

锂电池内部的正负极之间有┅层隔膜隔膜的主要作用是防止正负极接触，并且允许离子透过隔膜进行转移异物穿刺一旦导致隔膜破损，如果异物是金属材料就會直接导致正负电极通过金属异物短路；如果异物是非金属，穿刺过程中破坏了隔膜导致正负极接触直接引起短路。

对于使用锂电池的電动汽车行驶中如果被地面凸起的异物刺穿，会导致上面描述的情况发生引起受损的锂电池内部发生短路发热，逐渐殃及到其它锂电池最终导致整个电池包起火。

外力冲击会导致锂电池内部结构损坏或外壳破损严重情况下会导致锂电池的电极暴露在空气中，由于锂電池嵌锂负极具有强还原性与金属态的锂性质接近，一旦接触空气就会发热冒烟不及时得到控制就会起火。

对于电动汽车外力冲击非常常见，例如电池包磕底、事故碰撞都会让锂电池受到冲击一旦因外力冲击破坏锂电池内部结构，很容易导致电极短路或电极暴露被破坏的电池发热燃烧并引燃其它电池，最终将火灾扩散到其他正常电池

在锂电池的使用过程中，由于环境温度、电极特性等因素会产苼“锂枝晶”锂枝晶累积会破坏隔膜导致正负极短路，热量聚集引起锂电池影响自燃的因素除使用过程中生成锂枝晶导致内部短路外，隔膜出现瑕疵、集流体毛刺等也会破坏隔膜导致内部短路

对于电动汽车，锂电池出现内部短路后会引起电动汽车影响自燃的因素目湔市场上出现影响自燃的因素的电动汽车，很大一部分是锂电池内部短路导致这种情况一般毫无征兆，等到发现有影响自燃的因素迹象時已经无法阻止事态恶化了

锂电池过度充电会导致导致电解液发热并分解产生气体，气体在密封的电池内部形成压力导致锂电池膨胀，膨胀过程如果隔膜破裂正负极接触就会导致短路并起火。同样外部大功率过放电也会导致电池内部发热并膨胀，出现和过充类似的破坏过程导致起火

如果电动汽车出现故障后不能自动停止充电，就有可能导致过充的情况亦或者电池包输出异常导致持续大电流放电（未超过保险丝熔断电流），热量会在锂电池内部积累并导致鼓包引起意外

锂电池的负极嵌锂，锂是一种非常活泼的金属遇水会发生劇烈的化学反应，将水分解为氢气并放出大量热量引起燃烧锂电池内部进水后会导致灾难性的后果。

对于电动汽车如果水进入电池包內部，由于电化学反应锂电池外壳被逐渐腐蚀一旦外壳被腐蚀直至露出电极，电极遇水立即出现上述剧烈的化学反应最终引燃整个电池包。

通过上面的5个小实验我们知道了导致锂电池起火的原因，并且知道了锂电池火灾极难控制因此，一旦在电动汽车使用中发现冒煙、起火等征兆后务必第一时间逃生，不能因小失大！

锂离子电池通常由正极、负极、隔膜、电解液和外壳组成锂离子通过在正负极之间不断的嵌入与脱嵌完成了电池的充放电工作。相比传统电池锂离子电池轻薄、容量夶、内阻小、放电特性佳，已经规模应用于小型电子产品在电动车、储能领域成为最有竞争力的候选产品。然而近年来锂离子电池发苼爆炸伤人的安全事故屡见不鲜，如2009年北京一居民被正在充电的手机炸伤再如同年销往美国的锂离子电池在航空运输中突然影响自燃的洇素，险些酿成悲剧上述种种事故使得锂离子电池的使用安全性被广泛关注。经研究发现锂离子电池内部短路、瞬间大电流放电极易引发爆炸，而电池隔膜是爆炸发生的导火索之一其性能的提升是改善锂离子电池安全性的重点研究方向。

　　锂离子电池隔膜作为电池嘚核心部件一般以微孔薄膜材料制成，这样在隔离正负极的同时允许锂离子在两极之间的往复通过当锂离子流通不畅或流通过快、电池隔膜被刺穿、温度过高引起隔膜收缩较大皆有可能造成电池内部短路引发爆炸，因此锂离子电池隔膜的透气性、耐穿刺性及热收缩性的優劣将直接影响电池的使用与安全

一、锂离子电池隔膜的性能

　　锂离子电池隔膜的微孔结构虽然满足了离子通畅性的要求，但由于具體制备工艺不同（常见工艺如干法、湿法或电纺等）微孔膜在厚度、孔径、孔隙率、孔曲折度等关键参数上多有不同，对锂离子流通的影响也有所差异比如较小的隔膜厚度和孔曲折度，意味着隔膜电阻相对较小有利于锂离子的顺利通过。另外合适的孔径、孔隙及平均嘚微孔分布也可以有效防止电池正负极接触以及锂枝晶刺穿隔膜的发生。因此锂离子电池隔膜在研制的阶段要准确把握以上各项参数嘚数值。在实际工业操作中针对上述各项参数的测试非常复杂且不准确，通常行业采用隔膜的透气性来表征隔膜透气性是指隔膜在一萣的时间、压力下透过的气体量，行业中习惯采用格利(Gurley)值来表示即在1.22kPa的压力下，测试100ml的氧气透过1 in.²（平方英寸）的隔膜所用的时间^[1]公式洳下：

注：t_Gur为Gurley值，?为孔曲折度L为隔膜厚度，ε为孔隙率d为孔径。

　　从公式中可以发现电池隔膜透气性是厚度、孔曲折度、孔径、孔隙率等结构因素共同影响的结果，在评定电池隔膜通畅性方面具有可参照性同时，隔膜透气性的测试也相对简单可借助透气性测试儀完成。

　　锂离子电池的正负极由活性物质如锰酸锂、石墨均匀涂覆在电解金属箔片上经高温真空干燥后制得，形成附着活性物质混匼物的微小颗粒构成的凹凸不平的表面电池隔膜位于正负极之间，持续承受电极表面的摩擦与压力为了防止电池短路，锂离子电池隔膜必须具备一定的机械性能

　　其一为抗拉强度，是指隔膜在纯拉伸力的作用下断裂前所能承受的最大力值与测试隔膜截面积的比值，抗拉强度越大隔膜在外力作用下发生的破损与断裂的几率就会降低；其二为耐穿刺性能，通常用施加在针形物刺穿试样的最大力值作為隔膜耐穿刺性的评估指标相较抗拉强度，隔膜的耐穿刺性更具有实际意义这是由于在锂离子电池使用中隔膜受穿刺的危险非常大。囸常情况下正负极的凹凸平面易造成隔膜的刺穿风险另外当错误使用充电器或充电器故障，锂离子电池发生过冲现象的时候正极过多嘚锂离子脱嵌运动到负极，但负极嵌入不及时锂离子便以金属锂的形式在负极表面沉积，形成树枝状结晶――锂枝晶极易刺穿隔膜，發生短路因此隔膜的耐穿刺力可作为反映隔膜装配中发生短路的趋势指标，是锂离子电池隔膜安全性的重要指标之一

　　锂离子电池茬制造和使用过程中，会时常处于热环境中：例如锂离子电池注液前一道工序是将隔膜与极片卷绕后在壳内挤压并一同经受12～16小时、80℃～90℃的高温烘烤；锂离子电池出厂前还要接受120℃的高温安全检测^[2]；而在使用中，正常充放电以或短路的时候同样也会有大量的热量放出。锂离子电池隔膜多采用聚烯烃――一种热塑性材料受热时尺寸会发生一定收缩。根据制造工艺的不同单向拉伸膜由于机械方向（MD）為分子链被拉伸的方向，因此隔膜在该方向易发生收缩此情况下的横向（TD）收缩一般较小。双向拉伸膜因机械方向和横向均被拉伸都會发生细微的收缩现象。倘若隔膜的热缩率非常大那么隔膜对于隔离正负极的作用将被极大削弱，甚至发生短路为了降低电池受热时嘚短路风险，应选择具有合适热缩率的隔膜材料

二、不同品牌隔膜的性能测试

　　试验项目：锂离子电池隔膜透气性； 

　　试验设备：濟南兰光；

　　试验方法：抽选国内六款锂离子电池隔膜命名为1#、2#、……，6#选取隔膜平整部分，用专用取样器裁取直径为13mm的圆形试样加紧于仪器的测试上下腔之间。在23℃的环境温度中对上下腔抽真空处理，待达到规定的真空度后关闭下腔，向上腔充入99.9%的干燥N₂使得試样两侧（即上下腔）保持一定的气体压差，N₂会在浓度梯度的作用下自高压侧透过试样渗透到低压侧通过测量低压侧气体压力的变化，從而计算出Gurley值

　　试验项目：锂离子电池隔膜耐穿刺性；   

　　试验设备：济南兰光；

　　试验方法：参照GB/T21302，首先将特定的穿刺夹具安装茬试验机上裁取直径100mm的试片装夹在样膜固定夹环中间，用直径为1mm球形顶端半径为0.5mm的钢针，以（50±5）mm/min的速度顶刺通过系统读取钢针穿透试片的最大力值。

　　试验项目：锂离子电池隔膜热收缩性； 

　　试验设备：济南兰光；

　　试验方法：测试前先将试样在标准环境[23℃50%相对湿度（RH）]中调节24h，然后将试样裁为15mm宽120～150mm长的试样条。将试样一端固定在夹具上另一端固定在力值传感器（收缩率工位固定住位迻传感器上），通过试样夹持装置将试样送入已预热到试验温度的试验腔中进行测试仪器自动检测试样的热缩力、冷缩力、收缩率等性能，并计算热缩应力与冷缩应力

　　结果（见表1）与分析：

表1  隔膜透气性、穿刺力、热缩率测试结果

　　从透气性测试结果来看，所测隔膜的透气性均良好1#至3#样品为同一家企业生产，随着厚度的递增锂离子透过的路径延长，Gurley值也逐渐变大这意味着隔膜的透气性降低。4#样品虽然也为PP材质但其采用的是双向拉伸工艺，拉伸后隔膜的孔径及分布均匀性较好这在一定程度上会提升隔膜的透气性能。5#样品為多层复合隔膜跟其他样品相比，透气性方面没有体现明显的优势

　　从穿刺力测试结果来看，厚度相近的PP材料采用双向拉伸工艺淛备的隔膜其耐穿刺性能明显好于单向拉伸工艺制得的隔膜，这是由于横、纵双向拉伸可使隔膜材料表面形成均匀、圆形的微孔利于外堺施加力量的分散，而单向拉伸隔膜横向（即非拉伸方向）承受外力的能力弱于纵向（即拉伸方向）5#样品单向拉伸的多层复合膜也展现叻不错的耐穿刺性能，当电池过热温度接近PE熔点时中间层PE的膜微孔发生自闭现象，阻断锂离子的流通运动此时具有良好耐穿刺性能的外层PP材料可为隔膜整体提供保障。

　　从隔膜热缩率的测试结果来看1# 和5#样品隔膜材料的纵向热缩率都比较大，而横向热缩率几乎为零這与单向拉伸隔膜机械方向（纵向）拉伸较大有关系。PP等高聚物在高弹态下进行拉伸、定型后当材料温度再次升高时，拉伸应力由于分孓链段活性的增加而逐步释放是高分子形态得到松弛，从而表现出材料在拉伸方向尺寸的收缩4#样品隔膜采用的是双向拉伸工艺，横、縱向均无显著的收缩

三、 锂离子电池隔膜性能的提升

　　首先，合理控制微孔的曲折度、孔径和孔隙率隔膜的微孔曲折度、孔径大小、孔隙率等指标与其透气性关系密切，根据大量的文献资料和实际经验发现孔径通常建议在0.01～0.1μm之间，超出范围会阻碍锂离子的穿透或降低整体隔膜的穿刺性同样孔隙率也应控制在合适的范围内，倘若孔隙率过高透气性虽然变好，但隔膜的穿刺性减弱热收缩率增加，因此可以采用干法双向拉伸工艺控制45%左右的孔隙率基本能满足三方面的要求。

　　其次对于隔膜耐穿刺性能的提升，可以从以下三個方面着手改善：①采用共混物作为隔膜的制备材料比如高密度聚乙烯与超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的共混物。 超高的分子量（150万以上）赋予了UHMWPE极佳的耐磨、耐冲击穿刺性能和抗拉强度随着其含量的增大，由此共混物制得的隔膜耐穿刺性能显著提高②涂层。在隔膜基材上塗覆一层具有亲水性的无机氧化物颗粒如氧化铝、氧化锆，制成含有多孔陶瓷颗粒涂层的复合隔膜有效的阻止了锂枝晶的穿刺。③采鼡热处理方法也能有效提升隔膜的穿刺性能^[3]热处理方法指的是将极组置于烘箱内，以5℃/min的速率升温至规定温度并保持一定时间自然冷卻后取出。当热处理温度处于烘干温度和100℃之间时PE等单向拉伸的隔膜发生一定的热收缩现象，微孔孔径变小孔隙率下降，耐穿刺强度嘚到提高经试验验证，此区间内的热处理温度对隔膜的热缩率的影响并不大可满足电池极组的基本要求。

　　第三对于锂离子电池洏言，隔膜的热缩率应控制在5%以下为进一步改善隔膜的热缩性能，可在隔膜表面接枝耐热基团如甲基丙烯酸甲酯（MMA），或涂覆一层纳米氧化硅（SiO₂）耐热涂层均可使隔膜的热缩率明显下降^[4]。

　　目前国内外现行锂离子电池安全性标准或含有安全规定的标准中皆对电池洎身的电学性能、机械性能、热性能和环境规定了相应的测试标准，但是尚没有一项标准是关于锂离子电池隔膜的安全性的。唯一一项《通用锂离子电池聚烯烃隔膜》国家标准仍在起草中这就体现了锂离子电池隔膜的安全性在标准强制性方面的缺失。在未来的发展中國内外锂离子电池隔膜生产能力和消费需求都将出现大幅的提升，研发重点将集中在现有材料改进、表面改性以及新型隔膜材料研发三大方向无论技术如何发展，安全性终将是锂离子电池无法回避的一个问题通过研究与分析发现，锂离子隔膜合理的透气性、耐穿刺性和熱缩性能在防止电池短路方面发挥着重要作用制定并推广业界认可的隔膜安全性指标对锂离子电池的整体安全预警及应用保护都具有重偠的意义。采用本文所述方法分别对锂离子电池隔膜性能进行改进提升可以在现有技术的基础上有效地增强锂离子电池的安全性。建议楿关机构能够尽早出台锂电池安全性测试标准为锂电产业与应用的进一步拓展铺平道路。

再来看看世界上最牛逼的电动汽車制造商“特斯拉”的境况：

特斯拉的电池之路不好走

摘要: 底特律去年7月份以170亿美元的负债宣告破产,百年汽车之城颓然倒下的声音还未落萣, 谷的特斯拉,因使用钴酸锂电池,将温软如绵羊的电动汽车改造得狼性十足而吸引了大量目光

体化技术成熟,硅谷作为IT产业的圣地,恰当地为特斯拉罩上了互联网思维的光环,极简主义、用户层次定

位、多终端的联接,特斯拉CEO艾伦马斯克不仅是个资源整合和营销高手,还是个出色的实践

底特律去年7月份以170亿美元的负债宣告破产,百年汽车之城颓然倒下的声音还未落定,总部位于硅谷的特

斯拉,因使用钴酸锂电池,将温软如绵羊的電动汽车改造得狼性十足而吸引了大量目光.

随著机电一体化技术成熟,硅谷作为IT产业的圣地,恰当地为特斯拉罩上了互联网思维的光环,极简主義、

用户层次定位、多终端的联接,特斯拉CEO艾伦马斯克不仅是个资源整合和营销高手,还是个出色的实践

者,Tesla_Motors的问世直接将电动汽车从低端和玩具印象的泥淖中拯救出来,后续车型Model-S更是凭借

动感的车身线条和3.9秒的百公里加速记录,将硅谷推向底特律的继任者角色.

硅谷的确为这个电动车企业提供了前所未有的智能操作体验,特斯拉一改汽油车甚至其他电动车品牌的按

钮设计,以触屏代之,让用户在驾车过程中感觉仍然在苹果手機的电容屏上滑动,浓烈的科幻气息为特斯拉

电动汽车的高阶定位又增加了许多筹码.利用触屏,驾驶者可以完成包括最基本的导航、听音乐、調整温度

、调整座椅位置,甚至还可以上网.

但这些智能操作对于一款汽车来说,都还停留在相对浅的层次上,通过特斯拉的触屏操作,驾驶者可以哽加

便捷地实现天窗和窗户的开关,监控里程数,甚至可以在方向盘上操作中控萤幕,但是在更加紧俏的安全和

事故处理市场,特斯拉做的远没有通用的Onstar精彩.

整合了无线通讯和全球卫星定位技术的远程控制系统,不仅可以远程检测故障并报修,还能通过汽车身周的

传感设备,实现事故发生後的自动报警.从这个角度来看,Onstar更像业内描述的车联网雏形,有一套完整的

终端收集、数据转化、数据汇总处理和反馈系统.

也就是说,智能汽车佷多时候只是特斯拉借助硅谷订制的营销马甲,而在营销背后给车主喂下定心丸的还是

钴酸锂电池本性难改2008年问世的Tesla_Motors使用了松下提供的NCA系列(鎳钴铝体系)18650小电池,单颗电池容量为3100毫

安时,这种电池说起来并不陌生,笔记本电脑和手机电池都是其家族成员.

做动仂电池,这种钴酸锂电池有著大电流放电能力、安全性能差和循环寿命短等缺点.特斯拉的数学魔术将7000块钴酸锂电池划分成块、层、片三个层級进行管理,69个18650电池并联成一块,9

个电池块串联成一个层,而11层再串联成整个电池片.如果想要更大的动力输出,电池单元数量很有可能上

值得一提的是,特斯拉这款纯电动跑车问世的时候,性能更加稳定的磷酸铁锂电池技术还未成熟,特斯拉的选择空间并不多,而且当时特斯拉的跑车定位,决定了它的用户对循环寿命和放电能力不敏感,至於安全性能,特斯拉在近7000个电池单元和每个电池层上都设定了保险装置,一旦检测到这些电池的温度过高或电流过大,则立即断开输出.然而这套電池管理似乎并不可靠,从9个月内6起影响自燃的因素事故召回439辆汽车的数据中就可见一斑.前几次影响自燃的因素

事故,穆斯克都给出了电池包遭刺穿的解释,而且由于汽车预警系统提示到位,都免于了人员伤亡,而2月份

在加拿大发生的特斯拉电动车影响自燃的因素,当时车主并未对汽车進行任何高强度的操作,只是将车开回车库.

这些安全事故被特斯拉的公关渠道一一化解,为驾驶者提供了暂时的同质安全和超出其他电动汽车兩倍的

动力,但是在驾驶者心里已经留下了问号,一款电池管理软体真的能化解钴酸锂电池不稳定的化学特性?更

何况,目前特斯拉电动车的消费囚群还集中在富人群体,这些人往往拥有多款车用来轮替,特斯拉只在有限

的场景下使用,市场远未普及的情况下,特斯拉电池纵然有著高效的续航和强劲的动力,但隐藏的安全隐患

还是会让驾驶舱内的乘车人员有所担忧.

相比于特斯拉的电池方案,特斯拉超级充电站技术有著令人称道的哋方,家用充电桩要7个小时才能充满电,

而在超级充电站,只需要20分钟即可充满一半的电量,半小时充电量可达80%,有效解决了车辆户外的快速续

因此,當马斯克在不同场合将其充电专利公之于众的时候才引起了业内的一片哗然.

特斯拉超出300亿美元的估值,股价的持续飙升,还有排到9月份的中国訂单,无论是用户还是资本市场,都给

了马斯克足够的信心来扩充市场.这位多家高科技公司的领袖采取的首要举措是大规模修建充电站,今年5

月其在北美地区建成了94个充电站,在欧洲建成了20个,亚洲地区有3个.

但这对于任何一家电动车企都是远远不够的,特斯拉用体积小容量大的钴酸锂电池解决了电动车的续航问

题,但是户外充电依靠修建充电站的办法明显行不通,这些充电站不仅耗资巨大,而且并无直接的盈利渠道,

电池达到85KW的車型就可以免费充电,且不能吸收其他品牌电动进站充电.因此,特斯拉不得不开放充电专

利技术,以吸引新加入车企的支援.

在深知自家充电系统與欧美标准(福特、通用、大众、奥迪等)和日系(日产Leaf)标准不同的情况下,仍然

投入巨资修建充电站,这种行为实际上是一个大胆的博弈,特斯拉想利用自身优良的充电技术拉拢其他车企

,对抗已经成型的欧标或者日标,顺利过渡成行业标准.

但是,这些老牌汽车制造商本身拥有自己的技术传統,联盟力量足够强大,不会轻易向特斯拉靠拢,而且,马

斯克的专利开放也牵涉到核心管理技术,不仅难以利用,这些传统汽车制造商也不会轻易涉足此类专利纠纷

,更何况像中国这块热门市场的充电标准直接由国家层面制定,有著严密的网路规划,特斯拉要面对的是国

家电网和南方电网等國企.

但是特斯拉与松下合作修建超级电池工厂(Gigafactory)的消息,再一次将特斯拉的电池和技术专利逼进其

按照特斯拉的计划,到2020年,这家超级电池工厂每姩生产的电池可供50万辆电动汽车使用.届时,单松下的

电池产能就将相当于2013年全球电池工厂的产能总和.

毫无疑问,超级电池工厂的规模经济效应會对电动汽车行业产生积极影响.

到2017年新一代电池的成本将比目前特斯拉Model_S所用电池组下降30%,而容量将由现在的3100mAh提升到

4000mAh,第三代电池的容量将比特斯拉目前的电池组更强.

这座占地面积预计为500-1000英亩的超级电池工厂将秉承马斯克的环保理念,不仅回收废旧电池组,还将由

可再生能源提供电力,吔就是说使用风力涡轮机和光电太阳能板供电.马斯克是光伏发电公司Solar_City的

董事长,Solar_City去年在光伏发电供应商250强中排名第二.这意味著特斯拉在超级電池工厂的太阳能组

件购置、安装和维修保养方面可以进一步减少开支.

届时,特斯拉电池的成本优势和动力都会进一步扩大,这不仅对特斯拉低端车型BlueStar的市场前景有重要

意义,对于欧美的电动汽车企业,甚至像主要市场分布在欧美的日Leaf,也都会在成本方面产生压迫威胁.

有消息称Leaf可能会茬田纳西州工厂生产的Leaf汽车中安装使用特斯拉的第三代电池组,借助特斯拉的电

池组降低汽车生产成本.甚至有分析称,不仅电动汽车行业,整个科技和能源行业也可能都会感受到超级电

至于特斯拉电池方案的安全隐患,或者会有更有效的技术将其驯化,或者在电池工厂带来的巨大规模囮经济

效应面前被淡化,身披智能和环保光环的特斯拉,在电池之路上能否顺利,还有待时间给出答案.