鋰離子電池熱失控會嚴重的威脅使用者的生命和財產安全，引起鋰離子電池熱失控的原因很多，例如機械濫用、電濫用和熱濫用等，其中電濫用是最為常見的導致鋰離子電池熱失控的原因，例如在低溫下為鋰離子電池充電，過度充電都會引起金屬Li在負極表面析出，嚴重的情況下會生長為鋰枝晶，穿透隔膜引起正負極短路，導致熱失控的發生。LCO材料理論容量為274mAh/g左右，通常為了保持LCO材料結構的穩定性，我們一般會將充電電壓設定在4.2V左右，在發生過充時LCO材料的電壓會進一步提高，從而導致過量的Li從LCO材料中脫出，例如充電到4.6V時LCO材料的脫Li量可達220mAh/g以上，這不僅僅會導致負極析Li，還會引起LCO材料的不可逆相變。

倫敦大學學院（感謝讀者朋友的提醒，確實應翻譯為倫敦大學學院）的DonalP.Finegan等人對在過充導致的鋰離子電池熱失控中LCO材料材料結構和形貌的變化進行了研究，高溫下LCO會與電解液分解產生大量的氣體，引起電芯結構的變形，同時分解反應還會導致LCO材料顆粒的破碎，引起新的界面漏出，加劇分解反應。

實驗中采用的鋰離子電池為Turnigynanotech的160mAh軟包鋰離子電池，其正極材料LCO材料，負極采用石墨材料，實驗過充中采用3A的電流對電池進行持續的過充，一直到電池發生熱失控。下圖b為該電池在持續過充過程中電池表面溫度和電壓變化的曲線，從圖中能夠看到在前110s過程中電池溫度緩慢的從20℃升高到40℃，隨后電池的電壓曲線出現了一個平臺，在120s后，電池的電壓開始再次快速上升，同時伴隨著電池的溫度的快速上升。在180s后電池的電壓也是出現了一個階躍，直接升高到設備的最高電壓，在這一過程中電池的溫度也短時間內大幅升高，達到熱成像相機的最高溫度以上，電池發生熱失控。

若手機流量有限，可以先看以下幾個關鍵現象的動圖，等在WIFI下再看視頻。

150s左右，軟包電池的邊緣開始裂開

180s左右，裂口進一步擴大，開始有大量煙冒出

197s左右，電池熱失控

在電池的溫度和電壓發生變化的同時電池內部的結構也在發生改變，從下圖的CT照片能夠看到過充80s后電池的溫度達到40℃后，電解液和SEI膜分解產生的氣體已經開始導致電池發生膨脹，在120s后電池的膨脹進一步加劇，電芯的外層開始出現正極活性物質分層和剝離，在160s時電芯內部已經出現了大量的LCO材料剝離的現象，這也表明電解液此時已經大量氣化，同時LCO也開始大量分解產生氣體。

為了詳細的分析在熱失控過程中鋰離子電池內部結構的變化，DonalP.Finegan還通過CT技術對熱失控前后的電池結構進行了重建（如下圖所示），其中灰色部分表示LCO，黃色部分為Cu集流體。從下圖b中我們能夠看到在熱失控后在電芯的底部和上部都出現了Al顆粒，這是在熱失控的過程中LCO和電解液分解產生的氣體從電芯中沖出的過程中將熔化的Al帶到電芯的外部，重新凝固形成的，表明電池發生熱失控時電池內部的溫度要高于660℃（Al的熔點）。

Li0.5CoO2材料材料在高于130℃后會與電解液發生分解反應（如下式1所示）產生CO2和H2O，在溫度高于150℃時Li0.5CoO2材料還能夠與電解液發生反應生成LiCoO2、Co3O4、CoO甚至是Co（如下式2、3、4所示），反應過程中產生的CO2還會進一步與LiCoO2產生反應（如下式5所示）。

上述的反應大部分發生在LCO與電解液的界面，因此LCO顆粒的形貌對于其熱穩定性具有重要的影響，DonalP.Finegan利用CT技術對于反應后的LCO電極的結構進行了重構（如下圖所示），從下圖中我們LCO材料在熱失控中微觀結構遭到了嚴重的破壞，分解反應產生的金屬Co（綠色部分）會從顆粒表面剝離，將新的LCO顆粒表面暴漏出來，從而進一步加劇分解反應。

在電池中間的位置由于溫度很高，同時又存在大量的電解液，因此LCO能夠最終分解為金屬Co，但是在靠近電池表面的位置由于溫度相對較低，因此LCO并不會分解成為金屬Co，而是分解成較為穩定的Co3O4和CoO，從而導致LCO顆粒的體積收縮，因此我們能夠在靠近電池表面的位置觀察到大量的破碎的LCO顆粒（如下圖所示）。

熱失控過程中LCO材料的分解反應導致LCO顆粒的破碎，從而產生更小的顆粒，因此從粒度分布上我們也能夠看到熱失控對于LCO材料的影響。從下圖中的粒度分布能夠看到，在熱失控之前LCO材料的D50大約在3.87um左右，在發生熱失控后LCO材料的D50出現了明顯的下降，位于中間位置的LCO材料D50位1.99um，位于外表的LCO材料D50位1.97um，比初始值下降了一半，表明熱失控中LCO材料發生了顆粒破碎的現象。

DonalP.Finegan的工作很好的還原了LCO電池的在熱失控中電芯結構的變化，以及導致電芯結構變化的因素。LCO材料在高溫下能夠與電解液發生分解反應，一方面會產生大量的氣體，引起電芯的變形和LCO材料的剝離，此外分解反應還會導致LCO材料發生分解和破碎，導致新的表面漏出進一步加劇分解反應。