锂电池膨胀是影响从智能手机到电动汽车等设备的一个关键问题。这种现象不仅会影响电池性能，还会引发严重的安全问题，包括泄漏、火灾或爆炸。了解锂电池膨胀的根本原因对于制造商和用户降低风险、延长电池寿命至关重要。本文以数据和研究为依据，探讨了这一现象背后的科学、操作和环境因素。有关如何处置膨胀锂电池的信息，请参阅本文： 如何处置膨胀的锂电池？
常见原因 锂电池膨胀
1. 电解质分解和气体形成
电解质分解是造成锂电池膨胀的主要原因之一。在锂离子电池中，电解液负责在充电和放电循环过程中在阴极和阳极之间传输锂离子。在正常工作条件下，这一过程会顺利进行。然而，当电池受到高压、过度充电或高温等应力因素的影响时，电解液中的有机溶剂（如碳酸乙烯酯）就会开始分解。
这种降解会产生各种气体，包括二氧化碳（CO₂）、氢气（H₂）和甲烷（CH₄）。 研究 表明，这些气体在老化电池中的积聚量可达 60%，极大地增加了内部压力。压力的积累不仅会导致电池的物理膨胀，还会破坏电池外壳的结构完整性。在严重的情况下，这可能会导致排气、泄漏，甚至热失控，即电池产生无法控制的热量。此外，电解液中的杂质或污染物会加速这些副反应，使情况进一步恶化。
2. 镀锂和枝晶生长
当锂离子不是均匀地插层到负极材料（通常是石墨）中，而是以金属锂的形式沉积在负极表面时，就会出现镀锂现象。这种情况在低温下过度充电或快速充电时尤为普遍，因为此时离子的流动性降低，离子无法正常嵌入电极结构。
随着时间的推移，这些金属沉积物会演变成树枝状结晶--针状结晶结构，其长度足以穿透阳极和阴极之间的隔板。当树枝状结晶穿透隔板时，会产生内部短路，从而形成局部热点，进一步加速细胞内不必要的化学反应。这些反应通常会产生额外的气体和热量，从而导致膨胀。与枝晶形成相关的安全风险尤为突出，因为如果内部短路足够严重，它们可能导致灾难性故障，包括火灾或爆炸。
3. 机械应力和制造缺陷
锂离子电池的结构完整性在很大程度上取决于制造过程中的精度。即使是微小的瑕疵，如电极的轻微错位、污染或电极涂层的不一致，也会成为电池的薄弱点。在反复的充放电循环中（通常称为电池的 "呼吸"），这些薄弱点会受到机械应力的影响。
这种持续的机械应力会导致电极层出现微裂缝或分层。随着这些缺陷的扩展，它们会形成通道，使电解质分解或其他副反应产生的气体积聚在通道中。事实上 学业 研究表明，在商用电池中观察到的膨胀案例中，15-20% 可能是由微观制造缺陷造成的。因此，提高制造精度和质量控制对于最大限度地降低这些风险和确保电池的长期可靠性至关重要。
4. 过度充电和过度放电
锂离子电池的工作电压超过了规定的极限电压，这是电池老化的一个主要原因。过度充电会迫使过量的锂离子进入阳极，从而导致一系列问题，包括结构变形、内阻增加以及电解液的加速化学分解。过量的锂离子涌入会对阳极材料造成压力，导致产生气体的副反应的几率增加。
相反，过度放电同样会造成损害。当电池电压低于临界值时，阴极结构可能会受到损害，电极材料可能会出现不可逆的损坏。过度充电和过度放电都会破坏电池内部化学的微妙平衡。 来自电气和电子工程师学会电力与能源协会的数据 表明，标准钴酸锂₂电池中，即使只有 5% 的微小过充电，也会使膨胀的可能性增加 40%。这些不正常的工作条件也为热失控铺平了道路，在这种情况下，电池会过热并不受控制地膨胀，从而带来严重的安全隐患。
5. 高温和热管理不善
温度对锂离子电池的健康和稳定性起着至关重要的作用。当工作温度超过约 45°C 时，电池内的许多化学反应都会加速。阳极上的固体电解质相间层（SEI）就是一个特别敏感的成分。这个在初始循环中自然形成的保护层在高温下开始降解。当 SEI 层分解时，不仅会使电极进一步降解，还会在此过程中消耗更多的电解质，导致气体进一步产生。
热管理不佳的设备--无论是电动汽车、笔记本电脑还是其他电子产品--尤其容易受到影响。如果没有适当的散热，电池的温度会迅速上升，加剧降解过程并导致膨胀。在极端情况下，高内部温度和快速气体生成的结合可能会引发热失控，大大增加火灾或爆炸的风险。
6. 老化和能力衰减
与所有可充电系统一样，锂离子电池在老化过程中也会逐渐退化。经过数百次循环后，电池的性能不可避免地会下降，这种现象被称为容量衰减。这主要是由于电极的持续退化：阴极可能会随着时间的推移失去活性材料，而阳极上的 SEI 层会变厚，从而降低锂离子传输效率。
随着电池老化，内阻增大，充电和放电时会产生额外的热量。这些热量会进一步加速产生气体的副反应，导致膨胀。一份由 电池大学 2022 年）指出，在大约 500 次循环后，由于这些累积降解效应，膨胀风险会增加 20-30%。劣化电极之间的不平衡不仅会降低电池的整体容量，还会使电池更容易出现安全问题，包括膨胀，如果任由劣化过程发展下去，最终会导致电池失效。
结论
锂电池膨胀源于化学反应、操作条件和制造质量之间复杂的相互作用。这些因素（无论是化学、机械还是热因素）相互作用，影响着锂离子电池的寿命和安全性。了解这些机制对于开发改进型电池设计、实施有效的热管理系统以及确保依赖这些储能系统的设备的整体安全性和可靠性至关重要。通过解决电解液稳定性、热管理和电压控制等因素，制造商可以降低风险并提高安全性。对于消费者而言，了解这些原因可确保更好地操作电池并延长其使用寿命。
