近几年，电动自行车自燃、爆炸等安全事故时有发生。2021年9月20号，通州发生了电动自行车室内充电引发火灾，造成了5人死亡的悲剧。
自燃后的电动自行车
（图片来源：中国消防）
电动车为什么会发生自燃、爆炸？室内给电动车电池充电为什么危险？在使用电动车时，如何更好地保证安全？
电动车发生自燃、爆炸，主要原因是电池。为了跑得更远、更快，电动车电池的能量密度不断提升，与此同时，也越来越容易发生危险。
相对于过去使用的铅酸蓄电池，锂离子电池能量密度更高，危险也越大。
Part.1
锂电池为什么会起火、爆炸？
锂电池为什么会起火、爆炸？
电池由正极、负极、隔膜和电解液组装而成，多个电池单体进一步集成为电池组。
传统正极通常包括层状过渡金属氧化物（NCM/NCA），以及被称为“铁锂”的橄榄石结构的磷酸铁锂。
电解液是电池的“血液”，锂离子电池电解液通常使用的是具有可燃性的有机物，所以电池本身就是一个 “可燃物” ，在使用过程中，电池失效（包括短路，断路，电池破损等一系列电池不能工作的情况）可能就会引发火灾。
而隔膜最大的作用就是将正负极分开，从而避免电池内部短路，如果隔膜受损，电池则会热失控。
顾名思义，热失控就是温度不受控制地上升。这种现象会引发起火，爆炸等危险。
下面这个二维模型能够帮我们理解电池热失控发生的过程：
电池中放热反应速率和热损失速率随温度变化曲线。其中4表示放热反应速率，1、2、3分别对应不同室温的情况下热损失的速率，1曲线对应电池温度能够稳定的情况，2为临界温度情况，3中的电池会发生电池起火 （图片来源：参考文献1）
纵坐标是热量交换速率，横坐标为温度。曲线4表示电池自身发生化学反应时的热效应，遵循我们初中学过的阿伦尼乌斯定律：化学反应过程中，反应速率会随着温度升高而升高，于是产生热量的速度也便要升高。
1、2、3分别代表在环境温度为A、B、C的条件下，散热的速率随温度的变化。遵循牛顿冷却定律：随着温度的升高，物体与环境进行热量交换的速率会逐渐增加。
当环境温度为A时，可以预期E点是一个平衡点。对于曲线1来说，当温度超过E点对应的温度，此时与环境交换热量的速率会大于自身的产热，所以温度会降到E点对应的温度。
相反，温度小于E对应的温度时，由于体系产热大于热量交换，所以温度会升高到E点所对应的温度。
当环境温度升高到B时，此时2和4只有一个交点D，这是一个临界点，热量交换速率和电池自身的产热速率是相同的。此时，系统的温度一旦因扰动而升高，就会发生热失控。
这时的临界平衡温度被称为“不返回温度”（Temperature of No Return）。
一旦电池超过了“不返回温度”TNR，锂离子电池系统就会进入热失控的状态。
电池热失控
（图片来源：veer图库）
因此，我们可以分析出大多数热失控的原因——锂离子电池因为某些原因温度升高，从而使得电池温度超过了“不返回温度”TNR，进而引发剧烈的化学反应，发生热失控。
Part.2
锂离子电池在热失控时会发生什么？
电池温度升高过程中，发生的化学反应是阶段性的。分别会在升温过程中发生SEI的分解（89.06℃）、隔膜熔化（127.79℃）、正负极短路（129.35℃），钴酸锂歧化反应（158.08℃）、负极和电解液反应（169.16℃），钴酸锂进一步分解（188.29℃）和最后电池内的所有物质被氧化（220.65℃）。
其中正负极短路过程中释放的热量最多，高能量密度电池储藏的能量在瞬间释放出来的后果是惊人的。
热失控时，锂离子电池会产生甲烷、一氧化碳、乙烯和甲醚以及可燃的电解液蒸汽。
有报道认为，电解液中的阴离子是电池在热失控过程中的释放刺激性气体的原因，如：氟化氢和二氧化硫。
在62平米的封闭场所内，仅仅20mL的商用电解液所产生的氟化氢就能够达到人体的暴露极限。所以，锂离子电池的危险之处不光在于爆炸或燃烧放出来的热量，更在于电池热失控时释放出来的有害气体，这会导致人昏迷、窒息，失去行动能力。
此外，电池因为热失控发生破裂时，会喷射出可燃性的气体和气溶胶，进而产生喷射状的火焰，让人无法靠近。
电池燃烧
（图片来源：veer图库）
Part.3
电池更容易在室内爆炸？
在新闻中，时常会看到室内充电引起的事故，所以很多人以为电池更容易在室内爆炸，这其实是错误的认识。
大家看看数据：2021年以来，北京市电动自行车共发生火灾433起，亡13人。如果单看起火区域，室外有355起，室内有78起。所以电动车电池出事不是挑地点的。
但是，电池在室内爆炸危险更大，也更容易导致人员伤亡。
一方面，室内锂离子电池发生起火时会导致建筑起火，火势也更不容易控制。
另一方面，电池在室内燃烧释放出的刺激性气体和颗粒物，在封闭空间内逸散不开。现场人员很容易吸入大量有害物质，造成窒息、眩晕、失去行动力，如果险情发生在人睡梦时，则更为危险。
这也是为什么强调不要把电动车停放在室内或者安全通道。一旦发生事故，火势蔓延迅速、烟热高，直接切断了逃生通道，死亡率会非常高。
需要强调的是，并不是所有的锂电池都不安全。
实际上，如果严格按照国家标准执行，电池发生事故的风险非常低。毕竟目前锂离子电池是以有机电极液为主的体系，虽然可燃，但是可以针对性地杜绝可燃风险。
并且国家颁布了电动自行车安全技术规范，对电动车厂出厂的蓄电池有严格的标准要求。
正规的电池厂家，一定会对常见的电车遇到的风险，进行防范性的设计。比如对电池管理系统（BMS）设计，防止过充、滥用等等。
但是，仍然有很多“鱼龙混杂”的电池厂商生产质量没有保障的电池。部分用户，私自改用容量更大的电池，改装线路，增加了出事故的风险。
来源：pixabay.com
这就更需要我们安全、合规地使用电动自行车。
笔者在网上找到了这幅图，很好地总结了使用电动自行车的注意事项。
Part.4
电池起火怎么办？
首先，及时断电。
撤离到安全区域，拨打火警电话，不要第一时间尝试灭火，及时提供现场火灾信息。
锂离子电池起火发展过程
（图片来源：washington.edu）
国内外对于锂电池起火时，能否用水灭火有不同说法。
有的说需要用ABC类灭火器，不能用水，但实际上，用水灭锂离子电池的火是合理且有效的方法。（A表示固体物质火灾灭火器，B表示液体或可熔化的固体物质火灾灭火器，C和D分别表示气体火灾、金属起火的灭火器。）
《新能源汽车火灾扑救规程》中也指出，明火熄灭后，也要继续用水对电池组进行持续的冷却。由于锂离子电池中没有金属锂，所以也不需要用D类灭火器。
写在最后的几个小问题
在最后，笔者就以一些小Q&A来结尾，希望大家能够安全规范使用电动自行车，平安出行。
问：为了防止起火，我在家看着它充电1个小时可以吗？
答：看着也不行，它起不起火岂是我等生物能提前预知的？
图片源于微博
问：市面上电池有哪些种类？安全性有什么区别？
只要是符合国家标准，并且按照国家标准进行测试了的电池，都比较安全。但是凡事都有万一，不同电池失效的反应不一样，所以安全性也很难定义。
不同电池着火情况不同。铅酸蓄电池在过充后会释放氢气，在这种情况下有可能会引发爆炸。
镍氢电池比较少见，如果过充或短路也会释放氢气，进而引发爆炸。
一次性干电池，在高温和短路的情况下也有可能发生爆炸。
图片源于微博
问：电动自行车室内着火和室外自燃爆炸有什么相通之处？
首先，他们都是因为热失控导致的自燃爆炸，只是诱因不一样。充电着火极有可能是过充、或者电池导电性差，快速充电阶段产热多，温度急剧升高，导致的危险。
而室外自燃通常是电动车内部发生短路，用一句话表述就是：要么人为操作不当，要么电池产品质量不过关。
总之，严守安全规范，不要在室内给电动车充电。
参考文献：
[1] Qw A ， Bm A ， Sis B ， et al。 A review of lithium ion battery failure mechanisms and fire prevention strategies[J]。 Progress in Energy and Combustion Science， 2019， 73：95-131。
[2] Lecocq A ， Eshetu G G ， Grugeon S ， et al。 Scenario-based prediction of Li-ion batteries fire-induced toxicity[J]。 Journal of Power Sources， 2016， 316（Jun.1）：197-206。
[3]LITHIUM BATTERY SAFETY——www.ehs.washington.edu
出品：科普中国
制作：kun
作者单位：中国科学院物理研究所
监制：中国科学院计算机网络信息中心
（本文中标明来源的图片已获得授权）
文章仅代表作者观点，不代表中国科普博览立场
本文首发于中国科普博览（kepubolan）
“掌”握科技鲜闻 （微信搜索techsina或扫描左侧二维码关注）
