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一、過充
過充電通過破壞電極結構、催生鋰枝晶刺穿隔膜,形成內短路,進而觸發(fā)不可逆的熱失控鏈式反應。這一過程不僅源于電化學反應的失衡,更與材料熱穩(wěn)定性、電池設計(如隔膜性能、散熱能力)密切相關。因此,電池管理系統(tǒng)(BMS)的過充保護功能、電極材料的熱穩(wěn)定優(yōu)化,是預防該類事故的關鍵。
正常充電時,鋰離子在正負極間有序移動。但過充電時,正極材料(如鈷酸鋰)會因過度“丟” 鋰離子而結構崩塌,釋放氧氣;負極則因接受了足夠的鋰離子后,多余的鋰會在表面像樹枝一樣生長,形成尖銳的“鋰枝晶”。電池中間的隔膜像一層紙,用來隔開正負極。鋰枝晶越長越尖,會戳破隔膜,讓正負極直接接觸,形成 “內短路”。此時電池內部電流突然變大,局部溫度瞬間升高。內短路產生的高溫會點燃一系列危險反應。
當鋰電池發(fā)生過充電時,正極材料晶格結構發(fā)生畸變,處于熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)的過渡金屬氧化物開始分解,釋放出高活性的氧氣。這些氧氣迅速擴散至電解液中,與含有碳酸酯類有機溶劑(如碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯等)的電解液發(fā)生劇烈氧化還原反應。在自由基鏈式反應驅動下,反應速率呈指數(shù)級增長,瞬間釋放出大量反應熱,使局部溫度急劇升高,為熱失控的發(fā)生提供初始熱源。
二、過放
當鋰電池發(fā)生過放電時,其正極材料晶格結構會因電化學應力產生不可逆破壞,材料顆粒破碎后形成尖銳的活性物質碎片。這些碎片穿透隔膜后,將在正負極之間建立導電通路,引發(fā)內短路故障。短路電流產生的焦耳熱會觸發(fā)電池內部的熱分解、SEI 膜分解及電解液氧化等一系列放熱副反應,當產熱速率超過散熱能力時,便會導致電池熱失控。
在正常放電工況下,鋰離子通過電解質與隔膜組成的傳輸通道從負極脫嵌并嵌入正極。當發(fā)生過放電過程時,正極材料的鋰化程度突破熱力學穩(wěn)定區(qū)間,其層狀晶體結構中的鋰離子發(fā)生過度脫嵌,引發(fā)晶格畸變與結構坍塌,形成具有銳利棱角的活性物質碎片;與此同時,負極材料因持續(xù)的鋰離子脫嵌導致層間應力失衡,層狀結構發(fā)生扭曲與斷裂,進而引發(fā)金屬鋰的不可逆析出。盡管該過程形成的鋰沉積物相較于過充電形成的鋰枝晶在形態(tài)上缺乏規(guī)則性,但其產生的不規(guī)則鋰顆粒仍對電池內部安全構成顯著威脅。
三、防護
避免過充過放引發(fā)鋰電池內短路,需從技術防護、使用規(guī)范、材料優(yōu)化等多維度入手,核心是控制電壓邊界與溫度閾值,即“電壓 - 溫度雙控。BMS 與充電器構筑硬件防線,用戶規(guī)范使用是基礎,而材料升級(如固態(tài)電池)和結構優(yōu)化(熱隔離)則從本質上提升安全性。就像開車時既要遵守限速(電壓邊界),也要檢查剎車(BMS 保護),才能最大限度降低事故風險。