鋰離子電池含有高活性化學物質(zhì)，燃燒的鋰離子電池釋放的能量大約是與其相同體積汽油的三分之一，所有這些都是由化學反應出現(xiàn)的。鋰離子電池相關火災可分為兩大類：外部引發(fā)和內(nèi)部引發(fā)。外部包括由電氣“濫用”，機械濫用和熱濫用，外部引起的火災更容易監(jiān)控并防止。內(nèi)部是電池正極和負極中內(nèi)部短路和化學物質(zhì)反應的結果，這種情況難以監(jiān)測或預測。此外，它們的電壓變化也不會超過BMS設定的“安全”限值，到人為干預時可能為時已晚。特別是在電池組中，即使在單個鋰離子電池中發(fā)生火災，結果也可能對整個電池及其供電設備造成不利影響。溶劑和材料中含有易燃的碳氫化合物，負極含有氧化性化學物質(zhì)，因此不要大氣氧氣來支持電池的燃燒，也就意味著電池一旦燃燒，通過隔絕氧氣是無明顯效果的。

電池內(nèi)部的故障包括內(nèi)部短路和電極材料衰退，使用電壓表和電池表面安裝的熱傳感器很難預測內(nèi)部故障。用于識別阻抗微小變化的阻抗計技術正在日益成熟。這種儀器小而敏感，可以直接監(jiān)測電池組件的阻抗以改善其熱安全性。

在本文中美國約翰霍普金斯大學RengaswamySrinivasan教授提出了一種預測和預防鋰離子電池熱失控（TR）的新方法。該方法是基于電池阻抗中φ相移參數(shù)對內(nèi)部溫度變化敏感的原理，值得一提的是這種監(jiān)測方法不受鋰離子電池的大小（容量）的約束，并且監(jiān)測速度只要幾秒鐘，可以實現(xiàn)實時監(jiān)控。作者指出了鋰離子電池的起火原因和防火方法，還簡要討論了阻抗監(jiān)測方法及其在鋰離子電池安全性方面的應用。最終提出通過在電池管理系統(tǒng)（BMS）中集成相移監(jiān)視器來預測和預防TR的建議。

圖1.在20℃時，53AhGSYuasa鋰離子電池的阻抗（主圖）;多個溫度下的相移φ（插圖）。5.3Ah波士頓PowerSwing5300電池在20℃時的阻抗（主圖）;多個溫度下的相移φ（插圖）。在小容量和大容量電容中，φ隨溫度的變化很大：從0℃的20°到50℃的0.5°。另一方面，|Z|的變化太小。因此，φ是跟蹤電池內(nèi)部溫度的優(yōu)選可測量參數(shù)。

單元阻抗Z是一個復數(shù)，由實數(shù)Z'和虛數(shù)Z“組成。Z'和Z“可以用|Z|振幅和φ相移來表示（Z'=|Z|cos（φ），Z''=|Z|sin（φ），|Z|=[（Z'）2+（Z“）2]1/2）。|Z|對電池大小的依賴性很大，對不同容量大小的電池靈敏度有所不同。而φ則僅僅只受電池溫度影響，并且測量φ非常簡單。如今儀器測量φ的分辨率為10-3，而且價格便宜，因此直接φ測量比|Z|的測量具有優(yōu)勢。隨著電池加熱的進行直到發(fā)生排氣，電池表面溫度和電池電壓沒有明顯變化，而φ隨溫度的新增從大的負值變?yōu)檩^小的負值。該結果證明了監(jiān)測φ作為預測排氣的技術的可行性。因此，φ是精確監(jiān)測電池內(nèi)部溫度的重要參數(shù);或者在基于BMS的控制系統(tǒng)中可以預測排氣和災難性電池故障。

圖2.在將3AhLGHG218650電池加熱至熱失控期間的相移φ（兩圖的加熱方式左為環(huán)繞式加熱，右為貼片式加熱）與電池加熱幾何形狀無關，在初始電池排氣前幾乎一分鐘觀察到φ的顯著變化。

當電池充電或放電時，基于阻抗測量的技術具有快速且無創(chuàng)的優(yōu)點。具有相位計和Ecv監(jiān)視器的BMS的尺寸小功率低，可以在每個單元中跟蹤φ和Tint，而不會新增巨大的成本負擔。φ和Tint監(jiān)測可以在BMS中幫助調(diào)節(jié)和優(yōu)化充電速率以匹配電池中的單個電池，同時還可以定位單個降級的電池，并最終新增有用的電池壽命。最重要的是，它可以防止與電池放空和熱失控相關的災難性事件。