隨著電子設備制造商繼續拋棄電源線，允許不受限制的移動電源，鋰離子 （Li-ion） 電池組的需求空前高漲。隨著技術的進步，設備變得越來越耗電，電池制造商正在開發和推出更高容量和更高功率的電池。更高容量的電池組發生故障的可能性和嚴重程度都會增加，從而導致對確保這些電池組安全性的需求增加。

2000 年，鋰離子電池的銷售迅速開始取代鎳鎘和鎳氫電池等舊技術，成為首選的可充電電池技術，年銷售額貢獻了 2 GWh 的存儲量。1，2 十九年后，鋰離子電池每年增加的存儲量超過 120 GWh。2

鋰離子電池現在比以往任何時候都需要更高的需求，因為它們提供高能量密度和功率輸出。今天的鋰離子電池可以達到 700 Wh/L 和 330 Wh/kg。相比之下，大多數車輛中廣泛采用的鉛酸電池只能達到 110 Wh/L 左右。3

鋰離子電池改善了世界各地醫療患者、士兵和消費者的生活。以前受電源線限制的患者現在可以享受改變生活的移動性。一個典型的消費者現在擁有比以往更多的移動電子產品，所有這些都依賴鋰離子電池來安全有效地運行。

如果設計和實施得當，鋰離子電池組是安全可靠的。4 但是，如果設計或制造不當，這些電池組可能會變得危險。此外，機械濫用會導致電池組中的電池出現凹痕，或者更糟的是，刺破電池組可能會產生不穩定的結果。

鋰離子電池具有有機液體電解質，其中含有離子，允許電流通過電池傳輸。如果電池在設計不佳的電池組中受到機械或電氣濫用，并且電池溫度升高超過某個點，則電池可能會出現稱為熱失控的現象。

Medtronic HeartWare HVAD 中的鋰離子電池使患者能夠過上更加靈活的生活方式。（圖片：美敦力）

熱失控是鋰離子電池的能量自加速退化，通常由電池中的熱量吸收引起，從而引發電池內的一系列放熱反應。當細胞吸收熱量時，它會進一步分解并釋放熱能，這些熱能被重新吸收到惡化的細胞中。3

隨著電池加熱，液體電解質開始改變相并分解成有機氣體燃料。易燃氣體充滿電池并產生壓力。這種壓力會導致加壓易燃氣體、熔融金屬的猛烈釋放，如果被點燃，還會產生熾熱的火焰。單個鋰離子電池熱失控產生的火焰可達到 1，200°C 以上。5

現在想象一個電池組中有 10、100 或 1，000 個電池，創建安全電池組的重要性就變得清晰起來。熱失控電池災難發生在一個非常公開的舞臺上，例如波音 787 夢幻客機上的一個電池組在波士頓洛根國際機場的門口起火，或者三星 Galaxy Note 7 手機因設計原因在美國被禁止上飛機導致一些熱失控事件的缺陷。6，7

那么可以做些什么來防止鋰離子電池災難呢？答案是，每家參與鋰離子電池生產的公司，無論是電池、電池組還是設備制造商，在開發安全電池技術方面都有獨特的責任。價值鏈中每家公司之間的密切溝通對于創建安全和諧的電池組實施至關重要。

電池制造商有義務在清潔的環境中進行制造，以確保他們制造的每個電池都具有最高質量。即使是電池中的小缺陷也可能導致短路，從而導致不受控制的溫度升高。5 反過來，電池組制造商需要設計一種電池組，即使在極端條件下運行或電池發生故障時也能防止熱失控。

他們通過在控制電池組的電路上添加多級保護來做到這一點，以防止熱失控的主要原因，如過充電、過放電和電池電壓不平衡。這種電路還可以識別溫度的危險升高并關閉電池組的操作。最后，設備制造商需要按照所有相關制造方的同意設計一個從電池組獲取電力的系統。這些貢獻者中的任何一個的設計或質量不足都可能導致鋰離子電池災難。

領先的電池組制造商通常采用多達三個級別的保護來防止電池熱失控。盡管設計中有這個安全因素，但可以合理地假設在某些情況下，極端事件會導致電池的熱失控。例如，幾乎不可能防止穿孔電池的熱失控。當這種情況發生時，必須防止熱失控傳播到電池組中的相鄰電池。這樣做可能會導致重大故障和災難性電池災難之間的差異。

簡而言之，防止熱失控傳播的電池組必須防止熱量從觸發電池傳遞到周圍電池。單電池熱失控事件可產生大約 3 MJ 的熱能。3 這種能量將以光、火焰、熔融噴射物和加熱氣體的形式離開電池。所有這些能量都需要以某種方式重新定向或吸收。

設計可防止熱失控傳播的安全電池組的第一步是在設計階段執行熱傳遞和流動分析，以預測熱事件產生的能量和氣體會擴散到哪里。這種分析將使工程師能夠識別電池中存在熱能吸收風險的關鍵區域。鑒于此分析，可以創建設計以優化包裝的安全性。

在圓柱形電池中，壓力和氣體通常從電池的正極端釋放出來。沒有任何障礙或阻塞的單元之間存在直接熱路徑幾乎總是會導致傳播。3 因此，最好避免將電池的正端直接朝向負端。然而，這并不是布置單元格時的唯一考慮因素。根據電池設計，在熱失控事件期間可能會發生側面破裂。

核心組電池載體為防止熱失控傳播提供了重要支持。電池載體可以增加電池組中電池之間的間距，直接從電池的正極端積聚壓力，并防止失控的電池移動和碰撞到其他電池。

此外，電池組必須阻止熔融噴射物接觸相鄰電池并抑制從觸發電池排出的氣體的燃燒，同時冷卻觸發電池并從相鄰電池釋放熱量。材料選擇對于實現這種額外的安全性至關重要。在某些設計中已經提出了在熱失控情況下抑制火災的膨脹材料，但它們不能單獨作為防止熱傳播的唯一保護措施。研究表明，即使是家用滅火器中的哈龍，也只能在很短的時間內將鋰離子電池中的火撲滅，之后電池就會重新點燃。5

除了膨脹材料之外，包括電池和外殼之間的防火材料在內的材料可以幫助防止熱傳播和因火焰離開電池組而對最終用戶造成的傷害。在熱失控事件中，熔融的噴射物和火焰會以極快的速度離開電池。包括阻火屏和設計噴射物和火焰的路徑將有助于降低火焰和火花離開電池的風險。8

在較大的包裝中，采用被動甚至主動熱管理技術至關重要。相變材料可以在整個電池組中均勻地吸收和散布熱量，從而減少相鄰電池上的熱量集中。還部署了主動式熱交換器以減少電池組區域的熱量集中。這些技術也被證明可以延長電池壽命，因為它們在高速放電循環期間減緩了電池的退化。

無論公司為鋰離子電池組供電的設備處理價值鏈的哪個階段，工程師都有道德義務設計最安全的電池組。偷工減料是不可接受的，防止電池災難的最佳實踐方法應成為采用鋰離子電池的設備的行業標準。

鋰離子電池的好處很多，這些電池對于許多開發有助于人類進步的設備的企業的成功至關重要。鋰離子技術固有的獨特安全問題可以由實施創新解決方案的設計工程師控制并盡可能安全，這些解決方案在保證電池安全方面發揮著重要作用。