“爆”脾气电池频“发火”，新成果防患于未“燃”

2024-03-21 09:47:16 来源：科技日报

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近年来，电动自行车以便利性受到大众青睐，但相关起火事故威胁着居民的生命财产安全。据国家消防救援局发布的统计数据，2023年全国共接报电动自行车火灾2.1万起，比2022年增加17.4%。

电动自行车起火的直接原因多为电池故障。据北京市消防救援总队近日通报，仅今年1月，北京市发生电动自行车和电动三轮车火灾33起，其中因电池故障导致的火灾达30起，约占总数的91%。

那么，电动自行车电池为什么容易自燃？有哪些措施可以防范起火事故？科技日报记者就此采访了相关专家。

罪魁祸首往往是锂枝晶

目前市面上大多数电动自行车采用的电池主要有两种，即锂电池和铅酸电池。2019年《电动自行车安全技术规范》正式实施，要求电动自行车总重量不得超过55公斤。同时，随着生产技术进步，重量更轻、能量密度更高、寿命更长的锂电池，一跃成为市场主流，又沉又大的铅酸电池逐渐减少。

相比铅酸电池，锂电池虽有诸多优势，但也有短板——在特殊情况下存在自燃起火风险。

锂电池自燃起火主要由于电池内部短路，而短路的罪魁祸首往往是锂枝晶。锂枝晶产生的原因多种多样。

大多数电动自行车厂商都会在产品说明中明确，禁止在零摄氏度以下环境中充电。对此，清华大学交通研究所副所长杨新苗解释，这是由于在低温环境下给锂电池充电，会导致锂离子在负极析出，长出白色的锂晶体，即锂枝晶。

此外，随着锂电池使用时间增加，形如树杈的锂枝晶会不断生长，降低电池容量。一旦锂枝晶尖锐的“枝头”刺穿隔膜，就会使正负极相连，引发短路，导致电池剧烈升温、起火甚至爆炸。同时，电池老化、充电不当等也可能导致锂枝晶的产生。

锂电池燃烧速度之快，往往让人措手不及。锂电池起火30秒后，火焰温度就会升至300摄氏度，点燃电动自行车上诸多塑料部件，释放出一氧化碳、硫化物等大量有毒有害气体。人吸入这些气体后，数十秒便可出现头晕、恶心等症状。几分钟后，大火便会包裹整个车身，释放出更多有毒气体。

那么，铅酸电池就绝对安全吗？答案是否定的。

虽然铅酸电池本身自燃或爆炸的可能性非常小，但由充电不当或车辆老化等导致的电池连接线自燃等也会使车辆起火。

浙江绿源电动车有限公司总裁倪捷将电动自行车的火灾事故分为4类。一是户外充电时，插线板等起火导致邻近的电动自行车燃烧。二是在国家标准《电动自行车安全技术规范》实施前生产的或老化的电动自行车，在充电过程中起火燃烧。第三类是使用者为了增加续航里程和配速自行改装电池，导致充电器和电池不适配、电池挤压连接线，在充电过程中发生意外。第四类则是车辆和电池在设计和制造上存在安全隐患，导致起火事故。

替代产品正在加快研制

短路是导致锂电池起火的重要原因，往往与电池内隔膜被穿透有关。隔膜是一种具有微孔结构的薄膜，既能隔开锂电池的正负极，防止正负极接触形成短路，又可确保锂离子通过，形成充放电回路。

不过，传统隔膜材料性能存在短板，较易被锂枝晶穿透造成短路，因此越来越多的厂商开始给隔膜涂上“保护层”。例如，将以氧化铝为主要成分的无机陶瓷粉涂在隔膜表面，形成陶瓷涂层。陶瓷涂层具有良好的热稳定性，可以有效防止隔膜在高温下收缩。

除了在原有锂电池上“修修补补”，科学家还开始用其他材料制作电池。固态电池、钠离子电池等新型电池的研发应用被认为有望“一劳永逸”地解决锂电池的易燃难题。

固态电池用固体电解质替代传统锂电池中的电解液，大大降低了电池热失控风险，在安全性上有根本性的提高。华中科技大学材料科学与工程学院教授黄云辉说，固态电池在技术上具有显著优势。一方面，锂枝晶在固态电解质中生长速度缓慢且难刺透隔膜，避免锂枝晶生长造成短路；另一方面，固态电解质热稳定性强，避免了隔膜变化造成的短路问题。除此之外，固态电解质的可燃性较差，不易在高温下发生剧烈燃烧和爆炸。目前，固态电池相关技术已在实验室中得到验证，正朝着应用方向加快推进。

近年来，科学家还在加快研发以钠为主要电解质材料的钠离子电池。与锂电池相比，钠离子电池具有更宽的温度范围适应性，能够在零下40摄氏度下保持70%容量，在80摄氏度高温下也可以使用。同时，由于钠离子电池内部电阻较高，短路情况下瞬间发热量小、升温较少，因此在理论上钠离子电池比锂电池有更高的安全性。此外，将钠离子电池技术与固态电池技术相结合的固态钠离子电池也已在实验室中初步研制成功，未来电池的安全性有望得到进一步提升。