（１６）從短路開始到起火為止，鋰離子電池中到底發生了甚麼？
鋰離子電池會起火的導火線就是「短路」。本篇就想來介紹短路發生之後，一直到真正起火為止，電池裡面具體上到底發生了甚麼事情？
近年來，鋰離子電池被使用在日常生活中的各種用途上，而更貼近我們身邊而成為不可或缺的存在。
不過，在電池越來越便利的同時，因為操作失誤而導致重大事故的危險性，也是不能忽略忘記的。隨著鋰離子電池的普及，也越來越常看到失火事故出現的案例。
在炎夏中活躍的手持式小型電扇，在使用中發生起火的案例，在本年夏天也數度被新聞報導出來。此外，將手機或手持裝置放在猛暑高溫的汽車內起火，或是將鋰離子電池混入一般垃圾中丟棄，使得收集垃圾的過程中燃燒起來的案例，也是時有所聞。
如果將目光轉向海外，隨著電動車的普及化，也經常會看到電動車起火案例的報告。因為汽車燒起來的影片往往也是相當緊張刺激，因此引起「燃油車或是電動車何者比較安全？」之論戰、在社群媒體上擴散出去的現象，應該也不少見。
為什麼鋰離子電池會燒起來？其實如同以前介紹過的一樣，可以想到的鋰離子電池起火原因雖然並不少，但大多是因為電池的「正」、「負」直接相連造成「短路」，成為電池異常發熱的導火線。
熱爆衝在電池內部引起連鎖反應
在鋰離子電池中，因為短路而引起的導火現象，接著招致越來越熱的問題，當到達溫度完全無法控制為止，最後就會出現起火或爆炸的狀態；這種狀態一般可稱為「熱爆衝」。
在電腦或手機中，如果出現高負載的動作而導致難以控制、並持續發熱的狀態，也稱為「熱爆衝（Overheat）」，但和這次要介紹的、導致電池起火的「熱爆衝」，在意義或狀態上都稍稍有些不同，這需要請大家小心注意的地方。
電池中的「熱爆衝」指的是電池內部之各種物質急速激烈地出現熱分解反應的現象，一旦陷入這種狀態，電池內部會因為連鎖反應的關係，隨著時間經過溫度會持續越來越高。簡單整理鋰離子電池的熱爆衝的概念圖的話，就會是像下圖這個樣子：
如之前也介紹過的一樣，「鋰離子電池」實在是個非常深奧的名詞。因為電池的構成材料的種類、電池的構造、充電到怎樣的程度、劣化到怎樣的程度，造成的熱爆衝的詳細行為也會各不相同，以下僅僅拿其中一個範例來說明。
因短路等引發溫度上升的現象為開端，大約在80℃左右會開始發生電極與電解液之間的反應，或是電解液本身的熱分解反應。在電極附近的反應中，通常有負極與電解液的反應會比正極更早發生的傾向。
接著，在大約140℃左右，會發生隔絕片的熱變形。隔絕片是用於將電池內部的正極與負極分隔開來的塑膠製微多孔膜。它具備不妨礙鋰離子隨充放電移動的離子透過性，以及為防止正負極接觸造成短路所需的電氣絕緣性與機械強度。電池是否會導致劇烈燃燒的熱爆衝，其關鍵之一就在於隔絕片所具有的功能性好壞。
當隔絕片擁有即使在電池受到強烈外部衝擊或機械性變形時，仍能確保電極間絕緣性的「機械強度」的話，即可降低引發熱失控的短路風險。此外，當發生異常發熱導致溫度上升時，隔絕片需具備「關機（Shutdown）」的功能，即封閉孔洞以抑制電極間鋰離子的移動與反應進行；同時，也要求具備在更高溫度下，即使隔離膜已熔化，仍能防止正負極全面短路的「熔融形狀保持性」。
因為隔絕片的變形，接著會導致電池進入更高溫的領域而發生電極熱分解。因為電極的構成成分不同，因此分解溫度也不太一樣，通常的傾向是首先會由電極中被稱為接合劑（Binder）的塑膠成分開始分解，之後才是決定電池容量大小的電極活性物質分解。
特別會造成大問題的還是到了大約200～300℃左右發生的正極活性物質的分解。正極活性物質大多會隨著熱分解或是結晶構造崩潰，而成為放出燃燒時必要的氧氣之「氧氣供應源」。當電池內部的溫度持續上升到無法控制的程度時，也就是超過約660℃左右的話，就會造成正極集電體的鋁箔開始熔解，最終會引起鋁造成的「鋁熱反應（thermite）」，恐怕會讓溫度上升到超過1000℃之高溫。
可燃物、氧氣供應源、點火源－－－電池燃燒的三要素
在考慮鋰離子電池這種產品的潛在危險性時，特別需要注意的一點是，它本身單獨就具備了「燃燒的三要素」（可燃物、氧氣供應源、點火源）。這一特性成為提高其產品管理、操作處理及安全性保障難度的主要原因之一。
如開頭的例子而言，手持電風扇的起火案例大多具有落下衝擊造成短路（點火源）的特徵。此外，在手機或是手持式產品的案例中，將這些物品放置在夏天高溫的車內，就容易成為溫度上升的觸發條件。就像這些案例一樣，特別是雖然沒有外部衝擊但有著其他可能成為導火線的現象的話，就有可能與電池內部的可燃物與氧氣供應源一起構成燃燒要素而起火，這是非常需要注意的地方。
在垃圾收集時，雖然經常發生的案例是電池在收集車內部或廢棄物處理設施的處理過程中受到外部衝擊而引發火災，但需要注意的是，引火的原因不一定僅限於受到外部衝擊。
近年來，許多廢棄物處理設施已導入自動滅火設備，例如與火災偵測器連動，在偵測到火焰的瞬間就能停止處理線並開始噴水滅火；也設置了蒸氣防爆區域，涵蓋會對物體造成外部衝擊的破碎機及其周邊流程等等，作為火災預防對策。然而如前所述，由於鋰離子電池本身就具備燃燒的三要素，因此也發生過在通過蒸氣防爆區域後的後續流程中仍然引發火災的案例，目前要實現完全的對策仍具有相當的困難度。
汽油與鋰離子電池需要考慮的危險性大不相同
在汽車上，如開頭所介紹的一樣，往往有很容易引起網路上「燃油車與電動車何者安全？」的論戰。
可以想見這個論戰一定會有不同見解，但如果處理技術成熟並且密封性得以確保的話，汽油引發火災的風險相對較低；而鋰離子電池因為本身就具備燃燒的三要素，即使是在密閉狀態下，只要條件具備就有可能引發火災；因此，兩者所需考量的危險性是不同的。將這兩者單純比較並「斷定」目前哪一種更安全是相當困難的。此外，考慮到未來技術的發展與安全對策的提升，我們也不應該僅憑眼前的資訊就過度樂觀或悲觀。
最近在網路上經常看到有引用美國汽車保險比較網站「AutoinsuranceEZ.com」所報告的每十萬輛汽車各車種的火災發生件數，來主張電動車在統計上具有安全上優勢之論點。不過，筆者個人對此說法仍有些疑問。但由於這與本次主題略有偏離，就暫時略過不談。不過，關於這些經常在安全性與環保性能方面被單獨解讀的數據，希望日後能有機會再針對這個議題進行探討。
防止熱爆衝的對策
至此為止，筆者已經介紹了會造成電池變成起火狀態的「熱爆衝」流程。最後就想來討論一下該如何防止鋰離子電池起火的對策。
作為製造電池或內建電池產品的廠商，可以採取的對策包括：例如從電池材料層面進行改良、採用不易燃燒的材料、防止引發短路的製造瑕疵以提升並維持品質，以及在組裝到最終產品時透過 BMS（電池管理系統）進行適當的管理與設定等措施。
從材料的角度來看，已有採用熱穩定性高、較不易釋放氧氣的正極活性物質，或是將傳統的可燃性液態電解液替換為不燃性材料的案例。此外，推動全固態電池的開發，其動機之一也是為了盡可能降低起火風險，因此未來的開發進展備受期待。
就使用電池的使用者角色而言，需要注意的地方正如以前所解說過的一樣，必須確實遵守廠商推薦的電池使用方法，不要「硬操」電池到必要之上的工作狀態，也非常重要。更重要的是，使用壽命結束的電池不可以混入一般垃圾中，而要以適當的方法來處理回收。
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