中国科大王青松团队长期研究成果结晶：《锂离子电池安全技术》

锂离子电池加快了世界范围内的能源技术转型，尤其是近 10 年，锂离子电池在能量密度、循环寿命等方面得到了快速发展，在新能源汽车和电化学储能等领域得到广泛应用。以纯电动汽车为代表的新能源汽车具有污染小、噪声低、能源效率高、能源来源多样化、结构简单、使用维修方便等优势，发展态势良好。以锂离子电池为核心的电化学储能技术具有高效储能、高能量密度、长寿命、环保节能、耐用等优势，在电力调峰调频等领域得到广泛应用，成为构建新型电力系统的重要一环。

锂离子电池的应用场景

锂离子电池是由正负极活性材料、集流体、隔膜、电解液、外壳等构成的复杂化学系统，近年来研究者在正负极活性材料、功能电解液的研究和开发中已取得很大进展，使锂离子电池能量密度得到进一步提升。然而，在滥用条件下锂离子电池内部多组分相互反应会引发热失控，造成火灾事故，且随着电池容量和能量密度的增加以及规模的扩大，火灾安全事故也持续增加，成为锂离子电池规模化应用的瓶颈，也是全球性的科学难题和挑战。

不同工况电池热失控

由于锂离子电池较高的能量密度和易燃的材料组成，一些意外的滥用情形，如过充、外部加热、碰撞等，会大大增加电池失控的可能性。当电池发生热失控时，会喷出可燃或有毒气体以及颗粒物，形成射流火甚至爆炸。锂离子电池热失控的诱发因素主要可归为三类：热滥用（高温、热管理系统失效）、电滥用（过充过放电、短路）、机械滥用（针刺、挤压变形、外部碰撞）。

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材料体系安全技术研究进展

锂离子电池火灾安全隐患的根源在于电池内部化学材料组分的热稳定性较低。因此，提高电池内部材料的热稳定性是降低电池火灾安全隐患的根本措施。目前研究主要集中在电解液、正负极材料以及非活性基质材料的安全改性上，旨在提高电池的本质安全性。

电解液作为锂离子电池的关键组成部分，其安全性能受到了广泛关注。研究表明，采用新型锂盐、添加剂以及非传统溶剂等方法可以有效提高电解液的热稳定性和安全性。其中，引入添加剂是提高电解液安全性的有效方式之一，可以通过形成稳定的界面膜或抑制有害反应物的生成来降低电解液的反应活性。同时，研究也在探索不燃溶剂和水系电解液等替代方案，以彻底消除电解液的可燃性。此外，固态电解质作为提高电池安全性的另一种策略，受到了广泛关注。固态电解质具有无泄漏风险、高热稳定性和良好的电化学性能等优点，被认为是实现高安全性锂离子电池的关键材料。

通过电解液的改性、引入固态电解质等策略，可以有效提高锂离子电池的安全性能，降低火灾和爆炸的风险。未来的研究需要进一步探索新材料、新技术，以实现锂离子电池在高安全性和高性能方面的平衡，满足日益增长的能源存储需求。

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锂离子电池结构安全设计

由于锂离子电池固有的危险性，电池生产商为锂离子电池设计了几种安全装置，如安全阀、热熔断器、电流切断装置（current interrupt device，CID）、正温度系数（positive temperature coefficient，PTC）热敏电阻器等装置。

在锂离子电池的使用过程中，特别是在滥用情况下，电池内部会产生气体。因此，针对电池内部压力的不断增加，提出了安全阀的设计方案，允许过量气体逸出。一般情况下，安全阀由一个密封垫组成，该密封垫包含一个穿刺膜和一个尖刺。尖头位于电池顶部，而垫片位于电池下方。一旦电池内部压力增大，垫片向上挤压变形，使薄膜被刺穿，从而终止电池的危险。

热熔断器是一种具有电阻和热特性的易熔合金丝，当电流超过阈值，合金丝就会熔化，通常设置在电池的最高工作温度之上30～50℃。若电池处于一个较高的温度，热熔断器会使电池永久断开。但如果电压过高，热熔断器的断开无法中断锂离子电池的热失控进程。

另一种常见的安全装置是CID，可以在高温下被激活。在过热、过充、短路等情况下，电池内部温度升高，导致电解液汽化，气压升高。这时焊接在铝板和泄压片上的焊点会熔断，泄压片翻转使电池内部断路，中断电池电流，从而防止危险的发生。CID一旦作用，电池将永久关闭。

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电池热管理技术

目前储能电池的发展正朝着大容量、高能量密度、宽使用温度范围方向发展。由电池的热安全性和稳定性所引发的安全问题，成为一个重要的研究热点，其中最为重要的是对于电池热管理系统（battery thermal management system，BTMS）的研发。BTMS不但要通过冷却等方式保证电池的最佳工作温度，而且还要应对电池滥用和过热条件下的热失控。但是，电池的散热需要一个开放空间，而电池的隔离阻燃需要一个封闭的空间，如何做到两个矛盾体之间的平衡，也是一个很值得思考和研究的问题。

为提高储能锂离子电池的安全性，可以从两方面入手。一是提高电池材料本身的热稳定性。例如，提高电极的电导率和电解质、隔膜的热稳定性，提高电池材料的热稳定性和热安全性。电解液是电池起火的根源和燃料，可在电解液中加入阻燃添加剂来解决这个问题。采用热稳定性更好的隔膜材料，防止电池在高温下隔膜热收缩，避免电池短路。二是建设安全性更好的BTMS。储能锂离子电池增强BTMS的安全性有三层设计理念：首先，BTMS可以保证电池在最佳温度范围内运行；其次，BTMS可以检测到电池故障的临界点，并发出报警信息；最后，一旦发生热危害，可以有效抑制热失控传播。基于BTMS具有多层次、多功能化、多交互性的特点，可以推断，增强BTMS安全性的相关研究和关键技术，对于节能减排长效机制和绿色能源市场化的可持续发展具有重要意义。

当电池发生热失控时，通常会释放大量的烟雾、可燃的电解液蒸气和大量的热，导致封装材料的燃烧和破坏。解决这个问题的一种方法是在电池间放置高热阻材料，提高被动安全性。研究表明，膨胀材料可以吸收热能来延迟相邻电池的热失控起始时间；特斯拉汽车通过在电池表面添加膨胀材料、电池组隔热板等不同的隔热屏障，设计了一系列防止热失控传播的策略。

为了防止相邻电池之间发生连锁反应，可在电池之间插入热障元件，由导热系数很小的材料制成，如二氧化硅、氮化硅等。还有研究采用纳米级二氧化硅制成板状、毡状用于热隔断，原生气凝胶也可用于隔热材料。高飞等制备了以三元乙丙橡胶为基体的阻燃防护材料，有效抑制了电池之间的热传递，切断电池热失控连锁反应的发生。宁德时代设计了一种电池夹层结构，由两层导热层和中间的一层耐热层组成，能够减缓热失控的传播过程。

锂离子电池模组内热失控传播机制

然而，防范热失控传播的设计与电池系统的其他功能设计存在一定的矛盾。阻隔传热路径的方法可能造成电池组内部温度不均匀程度的加剧，这与电池组热管理设计中温度一致性的设计目标相矛盾。另外，增加灭火、排气、隔热等措施，均会降低电池系统的能量密度，增加电池系统设计成本。如何合理地配置安全性措施，以防范热失控传播的发生，同时考虑电池系统性能指标和设计成本，是电池系统安全性设计的重要议题之一。

为了实现更长寿命、智能化、热安全的电池系统，需要从不同层次加强电池热安全管理防控机制。应当注意的是，主动方法应与被动热安全管理设计相配合，从而达到吸收热量和降低热失控风险的要求。

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电池火灾预警

从早期预警的角度来看，锂离子电池的安全问题主要有两个方面：一是针对单个电池，对电压、电流、温度等数据的实时监测，当出现异常时应及时报警。二是对电池组进行监控管理，即对整个电池组运行过程中出现的异常情况进行分析报警。早期预警包括监测电压、电流等电气性能参数的变化，温度变化和逸出气体的检测。电池的温度、电压和电流参数都需要实时和直接的系统监测，而测量精度和可靠性依赖于传感器的位置和分布。

目前的研究热点是以光纤布拉格光栅（FBG）传感器为代表的间接测量。当电池温度超过系统控制器的某一阈值时，光纤的传输质量发生变化，为其他子系统提供信号。可通过集成的微电子机械系统微传感器捕捉电压和电流信号，有助于早期的故障诊断预测。有研究在电池集流体后放置电阻式温度传感器（RTD），在不参与电池内部反应的情况下，检测电池内部的温度比外部平均高5.8℃，检测速度快了近10倍，在不干扰电池工作的情况下就可以防止发生热失控事件。

利用光纤技术原位精准解耦电池热失控温度和压力变化规律实现提早预警

此外，电池内部的气体扩散也是一个严重的问题。气体在初始阶段伴随温度的升高而缓慢生成，当温度升高到一定范围时，正极和电解质分解释放出CO和CO₂的量增加。随着电池温度的不断上升，电池内喷出易燃电解液汽化会造成灾难性的后果。研究表明，传感器能够在热失控事件发生前探测到逸出气体。在传感器发出预警后，需要确定是否对电池的性能进行适当控制。

选择高灵敏度的传感器集成设计出针对锂离子电池的火灾预警系统，具备实时监测锂离子电池状态、自动感知判断等功能。将CO和温度作为典型的侦测依据，可以实现锂离子电池热失控的早期预警，并将其应用于储能电站的消防预警系统中。电池监测系统在检测隐患方面具有较高的实用性和可靠性，可以延长热危害的救援时间，降低灾难发生概率。但是当热失控一旦发生并且比较猛烈时，就需要采取措施防止热失控的蔓延，降低对邻近电池的危害。

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电池消防技术

为保证储能锂离子电池的安全，开发有效的灭火剂和灭火系统成为储能电池安全的另一个重点。目前在储能电池中采用的是管网全淹没的气体灭火系统，采用全氟己酮、液氮、细水雾、七氟丙烷（HFC）等作为灭火介质。研究表明，HFC可有效地扑灭单体或小型电池组的火灾，然而当火被扑灭后，由于电池内部强烈的放热反应，电池可能会复燃。氟化酮能有效抑制大容量电池的火灾。含有添加剂的水雾系统研究表明，5%的F-500溶液和自制溶液对电池火灾的灭火效果明显优于纯水。而相对于超细干粉，超细水雾的灭火效果更好，抑制能力强，可以在短时间内熄灭明火并快速降低电池表面温度。

灭火剂的效能参数评估

作者团队研究了不同灭火剂的灭火行为和灭火效率，结果表明，抑制温升效果优劣依次为水、全氟己酮（Novec 1230）、HFC、ABC干粉和CO₂。

灭火剂按照状态分为三类：气体灭火剂，包括CO₂、IG-541、IG-100、HFC等，其比热容较小，降温效果有限，灭火效果普遍较差；液体灭火剂，包括水、全氟己酮、水成膜泡沫灭火剂等，具有较大的比热容，能够达到降温隔氧的双重目的，并且可渗透到电池内部深层降温灭火；固体灭火剂，包括超细干粉、ABC干粉、气溶胶类灭火剂等，灭火效果较差。

在探究了灭火器的灭火效果后，还需开发有效的灭火系统。例如，利用闭环空气冷却系统来控制电池组的温度，当检测到热失控事件时，将惰性气体喷射到电池组，阻止火灾的发生；或将电池箱内的电池组置于用高温陶瓷板隔离的分离框内，外接灭火管道，当火灾发生时喷出灭火粉末灭火。

目前，对于锂离子电池的灭火方法虽然有很多，但是在灭火技术上缺乏统一的行业标准。另外，有大量的安全设计，旨在进一步增强系统的安全保护功能。其基本思想主要基于处理热失控时释放能量的方法，能量释放的主要途径是通过其他途径释放电化学能量。如何将实用的硬件/软件与电池系统设计相结合，提高电池系统的整体安全性，一直是亟待解决的问题。

为更安全地使用锂离子电池系统，需从电池材料、单体、模组、系统等层级，开展电池热失控机理、火灾危险性、故障诊断、预测预警、热安全管理系统、灭火技术、安全集成等系列研究，提出有效的防控技术措施，在现有技术条件下最大限度地保障电池的安全应用。

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锂离子电池安全技术购买

王青松, 梅文昕, 孙金华著

北京：科学出版社，2026.6

ISBN 978-7-03-085452-0

《锂离子电池安全技术》是一部系统、全面介绍锂离子电池安全技术的专著，集锂离子电池火灾危险性、火灾预警、消防技术及系统集成技术于一体，重点介绍中国科学技术大学新能源火灾安全团队多年来在锂离子电池安全技术研究等方面所取得的最新研究成果，内容新颖。其中，锂离子电池火灾危险性、电池系统故障诊断技术、火灾预警及消防技术等属国内外独创性工作，形成了本书的特点和独到之处。

目前国内系统论述锂离子电池安全问题和技术应用方面的书籍较少，《锂离子电池安全技术》面向国家新能源安全发展重大需求，从锂离子电池材料、单体、模组、系统层级层层深入，既介绍了锂离子电池各层级安全研究的相关技术方法，又详细介绍了锂离子电池热失控机理和火灾危险性，从材料安全改性技术、安全管理系统、故障诊断、火灾预警及消防技术、系统集成安全技术等方面论述了锂离子电池安全防控技术方法。相信该书的出版将对科研单位研究人员、高校相关专业的师生、电池研发人员、企业技术人员有所裨益。更希望该书的出版能够推动和促进我国新能源的研究和发展，为能源战略安全提供坚实保障。

李 泓

中国科学院物理研究所 研究员

2026 年2 月25 日

本文摘编自《锂离子电池安全技术》（王青松, 梅文昕, 孙金华著. 北京：科学出版社, 2026.6）一书“第1章 绪论”“前言”“序”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-085452-0

责任编辑：蒋 芳 孙 曼 曾佳佳

本书由国家科学技术学术著作出版基金资助出版。本书较为详尽地介绍了作者及国内外同行多年来的研究成果。首先介绍了锂离子电池基本原理、关键材料、结构组成及其安全问题，然后从实验和仿真两个方面介绍了锂离子电池安全研究技术方法，进而从锂离子电池热失控机理、产气特性、火灾行为规律、热失控传播机制、火灾危险性评价方面深入理解锂离子电池火灾危险性。针对上述提到的安全问题，首先从锂离子电池电解液、正极材料、负极材料、非活性基质方面提出锂离子电池材料层级的本质安全改性技术，然后从电芯层级介绍了锂离子电池的安全管理系统、故障诊断技术、热失控火灾预警和消防技术，最后从电动汽车、储能电站的消防安全技术入手介绍了锂离子电池系统集成安全技术。

本书可作为安全工程、锂离子电池等领域研究人员和工程技术人员的参考书，也可作为高等院校火灾科学与消防工程、新能源科学与工程、安全工程、车辆工程、材料工程等专业研究生和高年级本科生的学习参考书。

（本文编辑：刘四旦）

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