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電動(dòng)車室內(nèi)充電有人看著就可以電動(dòng)車放在室內(nèi)充電

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出品：科普中國
制作：kun
監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
近幾年，電動(dòng)自行車自燃、爆炸等安全事故時(shí)有發(fā)生。2021年9月20號(hào)，通州發(fā)生了電動(dòng)自行車室內(nèi)充電引發(fā)火災(zāi)，造成了5人死亡的悲劇。
自燃后的電動(dòng)自行車（圖片來源：中國消防）
電動(dòng)車為什么會(huì)發(fā)生自燃、爆炸？室內(nèi)給電動(dòng)車電池充電為什么危險(xiǎn)？在使用電動(dòng)車時(shí)，如何更好地保證安全？
電動(dòng)車發(fā)生自燃、爆炸，主要原因是電池。為了跑得更遠(yuǎn)、更快，電動(dòng)車電池的能量密度不斷提升，與此同時(shí)，也越來越容易發(fā)生危險(xiǎn) 。
相對(duì)于過去使用的鉛酸蓄電池，鋰離子電池能量密度更高，危險(xiǎn)也越大。
鋰電池為什么會(huì)起火、爆炸?
電池由正極、負(fù)極、隔膜和電解液組裝而成，多個(gè)電池單體進(jìn)一步集成為電池組。
傳統(tǒng)正極通常包括層狀過渡金屬氧化物（NCM/NCA），以及被稱為“鐵鋰”的橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰。
電解液是電池的“血液”，鋰離子電池電解液通常使用的是具有可燃性的有機(jī)物，所以電池本身就是一個(gè)“可燃物”，在使用過程中，電池失效（包括短路，斷路，電池破損等一系列電池不能工作的情況）可能就會(huì)引發(fā)火災(zāi) 。
圖片來源：pexels.com
而隔膜最大的作用就是將正負(fù)極分開，從而避免電池內(nèi)部短路，如果隔膜受損，電池則會(huì)熱失控。
顧名思義，熱失控就是溫度不受控制地上升。這種現(xiàn)象會(huì)引發(fā)起火，爆炸等危險(xiǎn) 。
下面這個(gè)二維模型能夠幫我們理解電池?zé)崾Э匕l(fā)生的過程：
電池中放熱反應(yīng)速率和熱損失速率隨溫度變化曲線。其中4表示放熱反應(yīng)速率，1、2、3分別對(duì)應(yīng)不同室溫的情況下熱損失的速率，1曲線對(duì)應(yīng)電池溫度能夠穩(wěn)定的情況，2為臨界溫度情況，3中的電池會(huì)發(fā)生電池起火（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）
縱坐標(biāo)是熱量交換速率，橫坐標(biāo)為溫度。曲線4表示電池自身發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)的熱效應(yīng)，遵循我們初中學(xué)過的阿倫尼烏斯定律：化學(xué)反應(yīng)過程中，反應(yīng)速率會(huì)隨著溫度升高而升高，于是產(chǎn)生熱量的速度也便要升高。
1、2、3分別代表在環(huán)境溫度為A、B、C的條件下，散熱的速率隨溫度的變化。遵循牛頓冷卻定律：隨著溫度的升高，物體與環(huán)境進(jìn)行熱量交換的速率會(huì)逐漸增加。
當(dāng)環(huán)境溫度為A時(shí)，可以預(yù)期E點(diǎn)是一個(gè)平衡點(diǎn) 。對(duì)于曲線1來說，當(dāng)溫度超過E點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度，此時(shí)與環(huán)境交換熱量的速率會(huì)大于自身的產(chǎn)熱，所以溫度會(huì)降到E點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度。
相反，溫度小于E對(duì)應(yīng)的溫度時(shí)，由于體系產(chǎn)熱大于熱量交換，所以溫度會(huì)升高到E點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度。
當(dāng)環(huán)境溫度升高到B時(shí)，此時(shí)2和4只有一個(gè)交點(diǎn)D，這是一個(gè)臨界點(diǎn)，熱量交換速率和電池自身的產(chǎn)熱速率是相同的。此時(shí)，系統(tǒng)的溫度一旦因擾動(dòng)而升高，就會(huì)發(fā)生熱失控。
這時(shí)的臨界平衡溫度被稱為“不返回溫度”（Temperature of No Return）。
一旦電池超過了“不返回溫度”TNR，鋰離子電池系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入熱失控的狀態(tài) 。
電池?zé)崾Э?（圖片來源：veer圖庫）
因此，我們可以分析出大多數(shù)熱失控的原因——鋰離子電池因?yàn)槟承┰驕囟壬?，從而使得電池溫度超過了“不返回溫度”TNR，進(jìn)而引發(fā)劇烈的化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生熱失控。
鋰離子電池在熱失控時(shí)會(huì)發(fā)生什么？
電池溫度升高過程中，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是階段性的。分別會(huì)在升溫過程中發(fā)生SEI的分解（89.06℃）、隔膜熔化（127.79℃）、正負(fù)極短路（129.35℃），鈷酸鋰歧化反應(yīng)（158.08℃）、負(fù)極和電解液反應(yīng)（169.16℃），鈷酸鋰進(jìn)一步分解（188.29℃）和最后電池內(nèi)的所有物質(zhì)被氧化（220.65℃）。

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