摘要：由于锂电池单体的性能满足不了我们实际需求，因此通过串联和并联方式组装而成的锂电池包满足了设备的电压和电流需求。一颗锂电池出问题可能导致整个锂电池包起火的核心原因，在于锂电池组内单体电池间的热失控传播机制、电气连接特性以及化学反应的连锁效应。

由于锂电池单体的性能满足不了我们实际需求，因此通过串联和并联方式组装而成的锂电池包满足了设备的电压和电流需求。一颗锂电池出问题可能导致整个锂电池包起火的核心原因，在于锂电池组内单体电池间的热失控传播机制、电气连接特性以及化学反应的连锁效应。

一、锂电池单体故障的触发机制

锂电池单体发生故障（如内部短路、过充、过放）时，会引发热失控，这是整个电池包起火的关键起点。根据资料，具体触发机制包括：

内部短路

制造缺陷（如金属杂质、隔膜微孔缺陷）或使用过程中的机械滥用（撞击、挤压）会导致正负极直接接触。

锂枝晶生长：充电时锂离子在负极不均匀沉积形成枝晶，可能穿透隔膜引发短路。例如，过放时负极铜集流体会溶解，铜离子迁移至正极形成枝晶，进一步刺穿隔膜。

短路点局部温度可达数百摄氏度，迅速引发电解液分解和正极材料氧化放热。

过充与过放

过充时，正极材料（如LiCoO₂）过度脱锂，结构崩塌并释放氧气，与电解液发生剧烈放热反应。

过放时，负极电位升高导致铜集流体溶解，铜枝晶引发内短路，同时SEI膜分解释放热量。

机械滥用

剧烈振动或碰撞可能导致极耳断裂、活性物质脱落，直接造成短路。

二、热失控的传播路径

单个电池热失控后，热量通过以下方式向周围电池扩散，形成多米诺效应：

热传导

电池间直接接触或通过金属连接片传递热量。例如，实验表明热失控传播速度可达2.23–3.35 mm/s，短时间内可蔓延至整个模组。

模组外壳的热积聚会加速传播，真实模组内的传播速度比开放环境快3-4倍。

热辐射与热对流

热失控电池喷射高温气体和电解液蒸汽，通过空气对流加热相邻电池。

喷射物中包含可燃气体（如H₂、CO、CH₄等），当浓度达到爆炸极限时，遇火花或高温即发生燃爆。

化学反应的连锁触发

相邻电池受热后，内部SEI膜分解（起始温度约80–120℃），随后负极与电解液反应（约120–200℃），最终隔膜熔化（>130℃）导致更大规模短路。

正极材料（如NCM三元材料）在高温下分解并释放氧气，进一步加剧燃烧。

三、电池包结构与电气连接的放大效应

锂电池组的设计特性会加剧单体故障的影响：

串联/并联连接方式

在串联电池组中，若某单体过放，其他电池会对其反向充电，导致电压变负并触发铜溶解和枝晶生长。

并联电池组中，故障单体会成为电流“黑洞”，其他电池向其放电，加速热失控。

连接片与母排的局限性

焊接或螺接的电气连接可能因局部电阻过高产生额外热量。例如，焊接不良的连接片会形成热点。

铜排等导电部件在高温下可能熔化，导致更大范围的短路。

模组密闭空间的气体积聚

电池包外壳限制气体扩散，可燃气体浓度迅速升高，遇高温即发生爆炸。

四、电池管理系统（BMS）的局限性

尽管BMS具备监测和保护功能，但其对热失控的响应存在瓶颈：

故障检测延迟

BMS依赖电压、温度传感器，但热失控初期可能仅表现为微小内阻变化，难以及时识别。

实验表明，从SEI膜分解到热失控爆发仅需数十秒，BMS的保护电路（如熔断器）可能来不及动作。

均衡管理的失效

当某单体已发生内短路时，BMS的被动均衡（通过电阻耗能）或主动均衡（转移电荷）可能无法阻止热量累积。

热管理系统的不足

液冷或风冷系统在极端热失控场景下散热能力不足，尤其是高能量密度电池组。

五、预防与缓解措施

基于上述机制，当前技术主要通过以下方式降低风险：

材料改进：采用高热稳定性隔膜（如陶瓷涂层）、阻燃电解液。

结构优化：增加电池间距、使用隔热材料（如气凝胶）延缓热传播。

智能BMS升级：结合机器学习算法预测早期故障，并实现毫秒级断路保护。

泄压设计：在电池包顶部设置泄压阀，快速释放高温气体。

一颗锂电池故障引发整个电池包起火的核心逻辑是：单体热失控→热量与可燃气体扩散→相邻电池连锁反应→电气系统失控→BMS保护失效。这一过程受到电池化学特性、模组结构设计及管理系统的综合影响。未来需通过多学科协同优化（材料、结构、控制算法）来进一步提升安全性。

来源：科学园地