目前电池的安全性问题引起多方关注，对像我这样只对机械类产品比较熟悉的偏科工程师，很想拜师补课，学习点电池方面的知识。武汉大学的艾新平教授是我的好朋友，从来不吝赐教。下面是他针对我提出的几个问题给出的解答，我觉得很有启发，经过他的同意，登载出来供大家参考。
王秉刚问：您说"锂离子电池的不安全行为是指电池在过充电、短路（包括内部短路和外部短路）、机械滥用条件（如挤压、穿刺、振动、跌落等）和高温热冲击等情况下，发生爆炸和燃烧的现象。"您是电化学的知名教授，能不能更通俗形象一些解释一下电池发生爆炸和燃烧的过程与机理，它与汽油燃烧、炸药爆炸的过程与机理一样吗？为什么在上述这些情况下会发生电池的爆炸和燃烧？
艾新平答：应当说电池发生爆炸都是由于电池内部瞬间温升过快或内压过高而引起。锂离子电池是一个密闭的反应体系，在其内部存在系列电化学和化学反应。除了用于储存和释放电能的正常电极反应外，还存在许多潜在的副反应，如电解质溶液的还原和氧化分解、正极的热分解等。当电池处于正常温度范围和正常电压范围时，这些副反应不会发生，电池内部仅发生正常的充电和放电反应，此时电池安全。但当电池温度过高，或者充电电压过高时，这些副反应被触发，产生大量的热，并释放出有机小分子气体。由于反应剧烈，产生的热量不能有效传递到电池体外，引起电池内部温度和压力的急剧上升。而温度的上升又会极大地加速副反应的进行速度，产生更大量的热和气体产物，此时电池进入无法控制的自加温状态，即俗称的热失控状态，电池有可能发生爆炸。当然，电池是否发生爆炸与很多因素有关，如电池的荷电状态、副反应的进行速度和发生程度、热传递速度、安全阀开启的灵敏度、外界环境温度等，因此，并非所有进入到热失控状态的电池都会发生爆炸，存在一定的几率性。从爆炸发生的机理来看，与炸药爆炸有相似之处。但由于电池活性材料的含能密度，以及反应速度均远低于炸药，因此，其危害程度远不如炸药。
为什么过充电、短路（包括内部短路和外部短路）、机械滥用条件（如挤压、穿刺、振动、跌落等）和高温热冲击等易引起电池爆炸呢？主要是这些因素容易触发电池内部的危险性副反应。如过充电超过一定限度后，电解液势必发生氧化分解，并产生大量的热，导致电池内部温度升高。当温度上升至一定程度后（一般认为130度是一个危险界限），引发前面所述的系列放热反应。当短路发生时，电池因以非常大的电流放电，其温度也极易升至130度以上；而挤压、穿刺、振动、跌落均可能导致电池发生短路现象，高温热冲击则可使电池直接暴露在高温环境下，因此均可能成为电池不安全行为的引发条件。
对于电池燃烧来说，其主要的引发原因是电解液所用溶剂具有易燃性，且闪点过低。所谓闪点就是可燃液体或固体能放出足量的蒸气并在所在容器内的液体或固体表面处与空气组成可燃混合物的最低温度。在锂离子电池电解液中，主要溶剂组分为有机碳酸酯类。如DMC（二甲基碳酸酯）、EMC（乙基甲基碳酸酯）、DEC（二乙基碳酸酯）等，其闪点分别为:17℃、23℃和33℃。与汽油-50～-20℃的闪点相比，高不了多少。另外，负极碳材料、隔膜和正极导电碳也具有可燃性。当电池处于如上所述的热失控状态时，电池内部的温度和压力均很高。如果电池安全阀能够及时开启，或者电池采用非金属的软质材料为外壳时，电池往往不会发生爆炸。但因压力很大，安全阀开启或外壳破裂时，可燃性电解液蒸气和有机小分子气体以极快的速度喷出（有文献认为速度为超音速），并与壳壁发生摩擦，摩擦产生的高温足以点燃低闪点的可燃性气体组分，导致电池燃烧。因此，电池发生燃烧的几率高于电池发生爆炸的几率，但电池爆炸必定伴随着燃烧。此外，当电池开裂，并且外界环境的空气湿度较高时，空气中的水分容易与嵌有锂的碳负极发生剧烈的化学反应，并放出大量的热，也可以引起电池的燃烧。由于引起燃烧的原因较多，且复杂，与汽油燃烧机理不完全一样。
王秉刚问：您在一篇文章中说："任何可导致电池内部温度自发上升至130℃以上的因素均有可能引发不安全行为。"这个数值有没有名称？130℃是对磷酸铁锂电池说的吗？其他材料电池呢？典型的如铅酸、镍氢、钴酸锂、锰酸锂，它们怎么样？
艾新平答：这个温度是对所有锂离子电池而言，并不针对铅酸、镍氢电池。研究锂离子电池的人都知道，充满电后的锂离子电池负极还原性非常强，可以与电解液发生剧烈的化学反应，放出大量热的同时还产生有机小分子气体。但在电池的化成过程中，负极表面形成了一层钝化膜，正是这样一层钝化膜，将负极与电解液隔开，有效避免了上述反应的发生。根据目前的研究结果，负极表面钝化膜的主要组成为有机碳酸盐，其分解温度大约为130℃。当电池内部温度上升到130℃以上时，钝化膜分解，高活性碳负极裸露于电解液中，导致它们之间发生剧烈的氧化还原反应，产生的热量引起电池温度的急剧上升，并引发其它可能的放热反应，使电池进入高危状态。这个温度值没有名称，是本人根据自己对锂离子电池安全性的认识而提出的。由于该温度值为锂离子电池碳负极表面钝化膜的分解温度，与正极无关，因此，对所有锂离子电池都通用。一般对于锂离子电池不安全行为的认识为：当某一因素（如过充、短路等）导致电池温度升高至约130℃时，负极表面钝化膜发生分解，并引发电解液同负极嵌锂炭材料的放热反应，促使电池温度继续上升。当电池内部局部温度升高到约220℃时，正极物质发生分解析氧，并继续同电解液发生剧烈反应，产生大量的热量并形成高内压。当电池温度达到240度以上时，还伴随炭负极同粘结剂的剧烈放热反应。如果此时电池内部没有自控机制，则可能出现胀裂、燃烧等不安全行为。由上可知，正极材料的分解放热也是热失控反应的一种。由于各种正极的热稳定性不一样，其分解温度不尽相同，因此采用不同正极的电池安全性也不一样。如钴酸锂正极大约在220℃左右就分解放热，加剧了电池发生热失控的可能性，因此，安全性较差。而磷酸铁锂正极非常稳定，通常状态下不发生热分解，因此，电池安全性相对较好。但由于正极材料的分解放热仅仅是导致电池发生热失控的一种因素，其它危险性副反应在磷酸铁锂电池中仍然存在，因此，理论上磷酸铁锂电池并非绝对安全。
王秉刚问：可以不可以说，电池的不安全都可以归到"电池局部温度上升超过该数值"？在电池单体的设计中有那些潜在的导致局部温升的不安全因素，有预防的措施吗？
艾新平答：可以这么认为。大量试验结果已证实，导致正常使用条件下的电池发生爆炸、燃烧等不安全行为的主要原因是电池内部短路。尽管出厂电池全部都通过了电压检测工序，但由于这种内部短路往往是在用户使用过程中形成的，因此非常难以发现和避免。导致内部短路的主要原因有：
（1）吸附在隔膜表面的导电粉尘：这是导致电池发生内部短路并最终发生不安全行为的最大隐患，电池在正常使用状态下发生的不安全行为大多由此原因引起。当电池装配车间环境控制不利，空气中就不可避免地存在大量极片粉尘和激光焊接造成的金属粉尘。这些漂浮的粉尘有可能通过静电作用吸附在隔膜表面，卷绕时夹杂在正负极之间。夹杂的粉尘有可能给电池生产带来两方面的影响：a、造成电池微短路。这一部分电池可根据搁置后的电池电压发现和剔除，不会流通到用户手中，给用户带来不利影响，仅仅降低了产品成品率；b、粉尘没有完全刺穿隔膜，但存在潜在短路危险。在用户正常使用情况下，随时有可能发生安全性事故，这种情况危害性最大，大多数的安全性事故由此引起。其引发原因是：电池厚度与其荷电态密切相关。随电池充电进行，电池厚度增加，而放电过程中电池厚度逐渐减小。也就是说，每循环一周，电池厚度均要经历一个膨胀收缩过程。在膨胀过程中原先夹杂在正负极之间的导电微粒因受到挤压而可能刺穿隔膜，导致电池发生内部微短路，从而引发安全性事故。
（2）电池卷芯的正极片和负极片存在错位现象：设计电池极片时，负极的极片宽度往往较正极片宽约0.5mm到1.0mm，其目的是保证电池电芯中负极较与之相对的正极边缘宽约0.25mm到0.5mm，避免电池在充电过程中负极边缘发生析锂现象。但在卷绕时由于极片放置位不准或卷绕过程中纠偏控制不利，导致部分正极边缘较负极宽，出现部分错位现象。这样在充电过程中错位部分的负极边缘容易析出金属锂，造成电池微短路。
（3）极片有毛刺：如果极片分切时极片边缘存在毛刺，并且在电池生产全过程中并没有造成直接的内部短路，往往因不能被发现而作为合格产品出厂。但在正常使用过程中可能因电池厚度不断膨胀收缩导致毛刺刺透隔膜而发生内部短路，从而引发安全性事故。
（4）负极表面析锂：正常情况下，为避免负极表面析锂，电池设计时负极片容量往往较正极片高约5％-10％。但由于涂布不均或者负极表面存在空白涂点，往往造成局部正极容量较负极高。这一部分负极表面在充电过程中极易发生金属锂的析出现象，从而有可能造成电池内部短路。此外，电池低温充电，或大电流充电时也非常容易导致负极表面析锂，造成电池内部短路。
（5）电解液分布不均匀：当电解液分布不均时，直接的后果是导致电极利用率不一致。电解液分布较多的地方，电极表面过利用；而分布较少的地方则利用程度较低。充电时，过利用的负极表面容易析锂，导致电池内部短路，从而引发不安全性事故。
（6）正极材料纯度不高，含有一些游离的金属杂质。充电时容易溶入到电解液中，并在负极和隔膜表面沉积，导致电池发生短路。典型的现象是，解剖电池后发现隔膜上沉积有许多黑点。目前国产化的磷酸铁锂材料均存在这样的问题。
如果能避免上述问题的发生，就可以有效解决电池的内部短路问题。
王秉刚问：是不是大安时数电芯比小安时数的安全性难度大，原因是什么？设计大安时电池要注意什么？
艾新平答：是的。因为大电池总的活性物质量大，正常储能反应和副反应所涉及的能量高，且体表面积（外壳）较小，散热更困难。设计大安时电池时，一定要注意散热，并保证电极反应的均匀性。在电池壳体设计、安全阀设计、极耳的设计、卷饶和注液的均匀性等方面多加以注意。
王秉刚问：从安全角度考虑，圆形电芯与方形电芯哪种更有利？
艾新平答：不好下结论，各有利弊。一般来说，圆形电池的安全阀对电池内压反应更灵敏一些，但对于大容量的圆柱电池而言，多极耳的设计与应用比较困难，且电解液的均匀分布也难以达到，容易导致电极各部分的不均匀利用，影响电池使用寿命和安全性。因此，一般容量较小的电池采用圆形结构在安全性方面有一定优势，大容量电池可能采用方型结构更佳。
王秉刚问：电池材料的品质对电池的安全性能重要吗？其中正极材料、负极材料、隔膜、电解质等，哪个更重要？
艾新平答：正极材料、负极材料、隔膜和电解质对电池的安全性均非常重要。对于正极材料和负极材料来说，首先不能含有金属杂质，否则容易造成电池短路；其次，循环性能需要保持基本一致。电池电压是由于正极与负极之间的电势差而形成的，在对电池进行充放电时，我们仅仅限制了电池的电压，并不能控制正极和负极的电势。如果正极循环过程中容量较负极衰减快，正极的电势逐渐上升，而负极的电势会逐渐升高，虽然充电过程中电池的电压没有超过控制值，但正极电势可能已经很高，导致电解液的大量分解，从而带来安全隐患。反之，如果负极循环过程中容量较正极衰减快，则此时电池正极的容量大于负极的容量，充电过程中负极表面将析出金属锂，有可能导致电池发生内部短路，带来安全隐患。
对于隔膜而言，如果强度较差，或存在大的导通孔，则易造成电池短路。此外，隔膜的闭孔温度、热收缩率，以及厚度和孔率分布的均匀性也直接影响到电池的安全性。隔膜的闭孔功能就是为了提高电池的安全性而设置的。当电池内部温度过高时，隔膜中的低熔点组分融化，封闭隔膜微孔，切断电解液的离子传输，从而造成电池断路，避免电池反应的继续进行，防止热失控反应的发生，保障电池的安全性。如果隔膜的闭孔温度过高，或者对温度响应不及时，则起不到对电池的保护效果。隔膜热收缩率过大或起始收缩温度过低，则电池发热时隔膜收缩，极易造成正负极的直接短路。而厚度和孔率分布的均匀性则直接影响到电极各部分的反应均匀性，厚度薄、孔率高的电极处，分布的电流大，材料利用率高，在充电时容易引起局部过充电。此外，电解液的温度特性也是影响电池安全性的因素之一。如果电解液的低温特性较差，电池低温充电时容易导致负极表面析锂。
在这些因素中，正极的热稳定性和金属杂质含量对于电池安全性来说最为重要。
王秉刚问：电池组内电芯不一致对安全性的影响是什么？
艾新平答：由于管理系统可以对每一单体电池的电压实现监测与控制，单体电芯的不均匀主要导致电池组性能的降低，一般不会对安全性造成影响。
王秉刚问：电池组的设计对电池安全性起什么作用？管理系统在安全性方面该承担什么任务？
艾新平答：设计电池组时，主要考虑流场和温度场，保证电池散热和温度的均一性，以提高电池组的使用性能和安全性。在电池安全性方面，管理系统的主要任务包括：通过对每一单体的电压实行监测与控制，防止电池过充和过放；对电池实行过流和过热保护等。
王秉刚问：电池组的安全性主要靠电芯来保证，还是主要靠电池组技术来保证？
艾新平答：电芯的安全性能是基础，成组技术是保障，两者缺一不可。
王秉刚问：电池周围介质的温度对电池很重要，是吗？我看到一个汽车公司的资料指出，电池的适宜工作温度在20-45℃，低了、高了都不好，并且温度场要保持均匀，这比内燃机的要求高多了。这是为什么？是主要出于寿命、效率、还是安全性？
艾新平答：将电池的工作温度控制在20-45℃之间，无论对于电池的电性能，还是安全性能来说均有好处。温度越低，电解液的离子电导率越低，电极反应的进行速度也越慢。不仅会造成电池容量和功率性能的下降，而且低温充电还容易引起负极表面析锂，给电池带来安全隐患，并导致电池循环性能的快速恶化。而温度太高时，电极表面（特别是负极表面）的钝化膜的稳定性将受到影响，电池容易发生鼓胀，并导致循环性能的降低。此外，过高的温度不利于电池体内热量的释放，容易导致安全性问题。因此，20-45℃是电池工作最适宜的温度。
由于电池的容量、电压、功率特性、循环性能等都与电池的温度有关，为保证电池组内单体电池使用过程中的均匀一致性，同时也利于电池管理系统对电池SOC状态的准确判断，需要保持温度场的均匀。
王秉刚问：为什么用旧的电池比新电池安全性问题更复杂？在电池的使用过程有哪些重要的预防监控措施？
艾新平答：主要原因是随着使用时间的延长，正负极材料出现不均衡的衰退，负极表面可能出现析锂或锂枝晶的生长。此外，低温充电、高倍率充电、局部电解液干涸导致的电极利用率不均等也有可能导致负极表面析锂。活泼的金属锂容易引发安全性事故，增加了电池的危险性。
使用过程中，避免对处于高荷电状态下的电池进行大电流充电，避免低温充电、将电池尽量控制在适宜温度下工作、避免过充电等均可以在一定程度上提高电池的使用安全性。
但大幅度提高电池的使用安全性，还有赖于一些安全性技术的应用。如热控制技术-PTC电极（即温度敏感电极）、负极表面热阻层；过充保护技术-过充保护添加剂或电压敏感隔膜；阻燃性电解液等。国外一些动力锂离子电池产品中已经应用了上述部分技术，希望国内研究机构和电池企业能够加紧开发。
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