前面文章或多或少地说过热失控，但没有准确和全面地阐述。本文试图简单明了，不故弄玄虚，用大白话说清楚，让公众了解热安全的科学本质。热失控是什么，特征为何，如何产生，本质为何，过程如何，排放如何，危害多大，如何控制？热失控这名词，定义得非常科学和准确，失控是关键，即不按预定目标进行。英文定义为Thermal Runaway，Runaway偏离既定路径，简单直接说出了本质。
产热和散热，动态均衡时，则处于稳定状态，这是传热学研究课题。热量产生有很多种方法，本质上都是能量的不同形态转化，主要有机械摩擦热、电阻焦耳热、化学反应热、电弧热等。散热，指热量的传递，即高温往低温的传递，分为热传导Conduction、热对流Convection和热辐射Radiation。传导多指固体间传热，对流指气体和液体间传热，辐射指高温物体向低温物体非接触传递热量。热力学和传热学，均未定义热失控，热失控属于异常过程，需要在安全科学予以研究。前面讲了通用的热科学背景知识，因笔者着重于电气热安全，同时对电池热安全有较多研究，因此后续均聚焦于电池安全阐释。1. 热失控，产热和散热偏离预定目标，不可逆地导致事件发生。不可逆是特征，事件是后果。2. 安全科学特征为不可逆地发展为事故，即伴随安全风险。电池热失控现象为，长时放热、大量排气，易燃易爆气体概率性地被引燃或引爆。3. 热失控常见触发源，内短路如电池瑕疵、穿刺和挤压，长时加热或瞬间喷射火导致大面积内短路，正负极短接致内部损坏。可见内短路是真正的触发源，由内而外和外引发内，均起源于内部。4. 电池热失控，本质在于内短路导致不断产热，高温加速化学反应不可逆地进行，使电池的可逆电化学反应被破坏。中学化学已学到，高温加速化学反应。微小内短路导致电池内热量产生，当达到热阈值时，化学反应不可逆地进行，进一步地释放更多热量。而该热量来不及被传递走，即散热效果不佳，内部热量进一步扩大内短路面积，进而加剧化学反应速度。大量的内部热量，使得电池内化学物质进行不可逆和充分的化学反应，直至能量完全释放。5. UL标准热失控定义，当电化学电池以无法控制的自热方式升温时发生的事件。 当电池产生热量的速度高于它所能散发的热量时，就会发生热失控。 这可能导致起火、爆炸和气体生成。原文如下，供参考。THERMAL RUNAWAY – The incident when an electrochemical cell increases its temperature through self-heating in an uncontrollable fashion. The thermal runaway progresses when the cell's generation of heat is at a higher rate than the heat it can dissipate. This may lead to fire, explosion and gas evolution.
通过温度曲线和实验现象，来说明热失控过程，便于大家理解。注意该图示，当泄压膜排气时，电池表面温度会下降；热失控时温度会陡升，速率约170度/分钟。只有经历温度陡升，才能确认为电池热失控已发生，泄压膜破裂距热失控仍有较长时间。放本图在于提醒大家，需关注热失控后温度缓慢下降现象，这是后续热蔓延的根本原因。以恒功率膜式加热器，同时加热四只18650三元电池，置于大气环境中，为最充分且最快的散热条件。三只电池平均温度，5分钟内由770度降至490度，温降速率为56度/分钟。电芯3被排除，因出现爆炸，导致部分卷芯被喷出，壳体温度较低。模拟电池包内单电芯热失控，磷酸铁锂电芯200Ah置于150L封闭试验箱中。底部恒功率加热器加热，记录电芯下面温度、表面温度和箱内温度。下面温度记录，指靠近加热板的电芯侧面；表面温度记录，指电芯上表面温度，热电偶被隔热板压住。从曲线可知，电芯热失控初始，下面温度陡升，后持续下降。2分钟由230度升至500度。表面温度一直上升，约15分钟从150度升至最大值290度，后续持续下降。电芯温度从热失控后约30分钟，表面温度降为235度，降温速度较慢。该曲线表明，铁锂电池热失控持续较长时间，内部多只卷芯逐次热失控，热失控后内部热量长时缓慢释放。实验过程中，箱内多次电打火，未引燃或引爆箱内气体。带电电池是独立能量体，遵循能量守恒原理，电池总能量为储存电能和化学能之和。电能很容易转化为热能(1Wh=3.6KJ)，化学能就比较复杂，不同电池体系和配方，导致显著差异，无数科学家还在伤透脑筋呢！三元电池热失控产生高速气流，气体动能是总能量的一部分。铁锂电池，只有热失控初期，才有中速气流，大部分时间为低速排气，因而气体动能占比较小。释放固体物质，特别是三元电池，高速气流带出少量的碳粉、铜箔和铝箔等颗粒，表现为火星喷射。放张固体物类别和占比饼图，让大家有个基本认知。释放液体物质，主要指铁锂电池，中速气流会带出气液，气液到大气中部分凝结为液体，该类液体大多为电解液。大量气体的生成和释放，这是当前电池安全研究的重点，耗费了大量人力和物力，能获得较多的文献资料和大量数据。气体生成有复杂的机理和化学过程，不同的电池体系和配方，不同的触发方式，不同的荷电状态SOC，不同的测试环境，都会导致产生的气体量和种类有显著差别。概括地说，气体组分主要为H2、CO和CO2，部分有CH4和C2H4，其余含CxHy。三元电池大致为，H2约30%，CO约30%，CO2约30%，其余为CxHy。铁锂电池大致为，H2约30%，CO约10%，CO2约30%，CH4为10%，C2H4为10%，其余为CxHy。NCM三元高镍电池产气量，某论文提供气体占比，有一定参考价值。消费类3C电池，钴酸锂2.1Ah，不同SOC时产气量和占比，如下表。磷酸铁锂电池的产气，给出国外和国内论文数据和结论，供大家参考。18650铁锂电芯能量较小1.3Ah，100%SOC时各气体组分占比，H2为29.4%，CO为9.1%，CO2为48.3%，CH4为5.4%，C2H4为7.2%，C2H6为0.5%。100% SOC时两电池平均值，H2为35%，CO为13%，CO2为22%，CH4为14%，C2H4为11%，其余为5%。德国戴姆勒公司Sascha Koch等对51款不同电池进行实验，拟合出V (L) = 1.961 Capcacity (Ah)，系数取整后，简化为2 L/Ah。100Ah电池热失控，产生200L易燃易爆气体。笔者参与的国际标准UL 1487 - 2025 电池箱壳安全标准，简单粗暴地给出了热失控产气量，1 L/Wh 即电池的产气量等同于能量Wh。三元电池，10Ah，100%SOC，37Wh产气37L。铁锂电池，200Ah，100%SOC，640Wh产气640L。E1.1 Analysis of industry and literature test data across multiple cell chemistries indicates a severe value of gas volume generated per unit of electrical energy capacity of 1 liter per watt-hour (L/Wh). 对多种电池化学成分的行业和文献测试数据的分析表明，单位电能容量产生的气体体积的严格值为 1 升/瓦时（L/Wh）。
5）气体毒性
中国陆军防化学院最新研究论文如下，供从业者知悉电池热失控气体毒性，铁锂电池现给出部分组分和毒性。
CO毒性不言自明，这是致人死亡的关键毒素。
电池热失控时，若出现燃烧现象，引入了大气中氧气，总能量有显著地增加。若热失控时，无燃烧排气也不剧烈，释放热量主要为反应热。当前学术界对锂电池的热释放率和总放热量，因各方工况和实验条件差异大，论文数据参考价值不大。工业界未意识到释放热量的重大影响，正走在点火/灭火歧途上，我们已掌握总放热量估值算法。由于该问题比较专业，且涉及核心技术，本文不展开阐述。电池不可逆产热排气，那首先想到是被动安全的排气散热。通过传质实现散热，即高温高压气体排出，与大气热交换而散热，如特斯拉的伞阀排气或电池包上泄压阀，这是电动汽车行业的普遍做法。哪么降温呢？热传导因受限于接触面积，难以带走大量的热，储能行业目前采用液冷散热，只能带走小数量级的焦耳热。相变是另一种选择，但是有机介质的汽化潜热一般在100KJ/Kg，相变吸热量有限，进而需要很多质量。当真正了解到热失控总释放热量的数量级，热管理和相变吸热的技术路线，基本上就不攻自破。热失控本质原因，温度加速内部化学反应，如果能降低内部化学反应速度，这岂不是釜底抽薪？我们中学时就知道，催化剂能加快化学反应，但是老师很少讲负催化剂，即降低化学反应速度。这就是金洛电池安保剂的核心机理，负催化剂作用下，降低电芯内部化学反应速度，且排气无法被引燃引爆。要使化学反应减速，药剂必须进入电芯内部，否则不会有任何药效。因此水基类药剂如泡沫液等基本上被排除，液体无法通过泄压口和裂口进入电池内。只有气体类药剂，气体通过泄压口和裂口进入才完全可行，仍必须确保气体笼罩电池。当前消防界又在推动，液氮灭火系统，液氮确实可以降温。但是N2为惰性气体，对化学反应无任何减速功效。N2分子量28，空气分子量29，N2一释放很快就扩散逃逸。总结一下，高能量与高危险是能量体的正反两面，电池选择了活泼的碱金属，热失控是不可避免的！鼓吹钠电池和固态电池的高安全性，是对公众的选择性欺骗。针刺、挤压、切割等电池安全实验，属于耍猴式表演，误导非专业消费者，非常不负责！电池厂商，永远不敢面对，加热触发热失控和易燃易爆气体的产生，这才是电池热安全的致命真相！！！
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