波音 Boeing 787 的鋰離子電池散熱問題是設計缺陷嗎？

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維基百科看得好暈，為什麼這樣的散熱問題至今仍未解決。專業人士可以淺顯地解釋一下嗎？（Boeing 787 Dreamliner battery problems - Wikipedia）

本回答分析的是2013年1月7日的波音787鋰離子電池著火事故。
我的觀點是，這起事故是一起由內部短路引起的熱失控事件，而不是由散熱問題引起的。從學術研究的分野來看，電池在高溫、起火甚至爆炸等極端條件下的熱相關問題屬於熱失控研究，而散熱問題屬於熱管理的研究範疇，即電池在常態下的熱相關問題。
嚴格地說，這起事故的根本原因還沒有找到，估計也很難找到了。目前有的論文根據美國官方發布的調查報告進行了事故推演，總結了一些經驗教訓。對這起事故進行分析，可以為鋰離子電池設計提供很多有益的參考。

1. 起火事件概述

起火事件發生於2013年1月7日日本航空（Japan Airlines）JA829J次航班的波音787型客機，當時客機位於美國波士頓國際機場。事故沒有造成乘客或機組人員傷亡，但是一位消防員在救火時受傷。

起火的電池組為機上的輔助動力單元（Auxiliary Power Unit, APU）提供動力。

事故的時間線如下：

10:00:24 飛機著陸

10:04:10 APU啟動

10:06 關閉引擎

10:21:01 APU電池匯流排電壓從32 V降低到31 V

10:21:04 APU電池的電流增大到44~45 A，持續約4 s

10:21:07 APU電池電壓降低到30 V

10:21:09 APU電池電壓降低到29 V

10:21:10 APU電池電壓增加到31 V

10:21:15 EICAS（Engine
indicating and crew alerting system）提示APU電池失效

10:21:37 電壓降低到0 V，之後三次跳回至28 V

10:21:37 維護人員注意到APU自動關閉

10:21 清潔人員注意到機艙內有煙霧產生

10:32 機組成員注意到機艙內有煙霧產生

10:35 機械師打開電子設備艙。發現輔助動力電池單元著火

10:37 機場救援與消防隊收到通知

10:37:50 接到通知一分鐘內，第一輛消防車趕到現場

消防員進入機艙後，使用Halotron滅火器進行滅火操作；一位消防員提到電池出現過復燃的現象(appeared to be rekindling)。

11:57 著火的電池包從電子設備艙卸除

12:19 火勢得到控制

2. 電池組參數

波音787上有兩個電池組，一個是位於機頭處的主電池組，另一個是機身中段的輔助動力單元電池組。此次事故發生在輔助動力單元電池組。

（圖片來源：參考文獻[1]）

電池組內有8節串聯的單體電池和電池管理系統。

（圖片來源：參考文獻[2]）

單體電池的參數和電池組的參數如下圖所示。

(圖片來源：參考文獻[1])

從這張參數表上可以得到很多耐人尋味的信息：

a. 單體質量是2.72 kg (6 lb)，8節單體的重量是21.77 kg (48 lb)，而電池包的質量是28.58 kg (63 lb)，因此電池包的質量效率是76.2%。

b. 單體體積是1.31 dm^3 (80 in^3)，而電池包的體積是21.5 dm^3 (1315 in^3)，體積效率是48.7%。

c. 單體能量近似為277.5 Wh，質量比能量是102 Wh/kg，能量密度是211 Wh/L。這款電池的質量比能量和能量密度是較低的。參見特斯拉為什麼要使用 18650 規格的圓柱形鋰離子電池？

在參考文獻[4]中，方謀等人提到：

無論是單體電池還是電池模塊的比能量都不算很高，對比兩組數據可以發現，電池模塊的質量能量密度為單體電池的 77.6%，體積能量密度為單體電池的 48.8%。即組成電池模塊時，把質量的 22.4%、體積的 51.2%分配給了安全保護裝置，以提高系統的安全性。

單體電池的容量較大，達到了75 Ah，結構採用了卷繞式，每個單體內有三個卷芯。

（圖片來源：參考文獻[1]）

3.
起火原因分析

事件發生後，美國National Transportation Safety Board (NTSB)著手進行了調查，相關的調查報告在機構網站上進行了發布。

2013年3月7日，NTSB發布一份中期事實報告（Interim
Factual Report），對事故的原因進行了分析。

下圖是對電池組和8節單體電池所進行的分析手段匯總，主要分析手段包括拆解、CT掃描、SEM及EDS等。

（圖片來源：參考文獻[1]）

下圖是電池包拆解後的8節電池，從中可以看到左部5~8號電池的受損程度比右側的1~4號電池更為嚴重。6號電池受損最為嚴重。

（圖片來源：參考文獻[3]）

側視圖如下：

（圖片來源：參考文獻[3]）

還有一些其他的調查結果：

除了 4 號電池外，其它 7 塊電池的排氣閥都破裂，但是稱重發現 4 號電池也有電解質損失。
電壓測試發現除了 8 號電池外，其餘 7 塊電池都發生短路。

對6號電池進行拆解後發現內部銅箔上有明顯的燒蝕痕迹，如下圖所示。

（圖片來源：參考文獻[3]）

4. 事故過程

方謀等人在論文中給出的事故過程是[4]

6 號電池的負極集流體發生內短路，導致電池模塊電壓在 9 s 的時間裡從 32 V 下降到29 V。
內短路引發的大電流引起熱量累積，導致6號電池熱失控。
6 號電池熱失控產生的熱量加熱了其周邊的電池，致使周邊電池的溫度持續升高，導致其他電池的隔膜在高溫下收縮，從而造成正負電極直接接觸，引發大規模內短路。
突然爆發的高溫導致安裝在電池表面的溫度監控模塊沒來得及反應就被燒毀，致使電池模塊的早期預警機制徹底失效，最終導致電池模塊從電壓發生異常開始僅僅15 s就因為無預警的熱失控而造成電池模塊整體失效並起火燃燒，飛機失去電力供應。

我覺得這個事故過程的推演是比較合理的，但是發生內短路的原因還沒有找到。

5. 經驗教訓

我總結了以下幾點：

a. 發生事故的客機製造商是波音公司，電池供應商的是日本湯淺，兩者都堪稱業界翹楚，但是這起事故仍然沒有避免。這也從側面反映出鋰離子電池熱問題的複雜性。

b. 此次事故發生在機場，救援力量到達及時，但消防隊仍然花費了約1個多小時才控制住火勢，電池包和部分電子設備損毀，一位消防員負傷，代價沉重。由於電池組外殼較難拆除，內部的火勢很難得到控制，消防員在破除外殼時容易受傷。類似的案例在Tesla Model S的火災中也有報道。因此，電池供應商在設計電池組時應當考慮火災處理時如何破甲。

(Firefighters reported that the battery was difficult
because a metal kick shield installed in front of the battery prevented them
from accessing the battery』s quarter-turn quick disconnected knob. Also, the
quick disconnected knob could not be turned because it was charred and melted.) [2]

c. 從機組人員發現煙霧到熱失控的時間很短，預警模塊來不及做出反應就被燒毀。電池管理系統的預警設計應該加強。

d. 機艙內的煙霧探測器及排風扇等設備的供電來自APU電池組，因此一旦APU電池組失效，各種應急措施也會失效，在客機電子器件設計中應當注意。

方謀等人在論文中總結了如下幾點：

a. 在現有技術條件下，所有應對外短路和過充放電的安全保護措施都無法應對內短路。

這次事故記錄證實在熱失控情況下，傳統的救火辦法幾乎沒有任何效果。發生熱失控時，唯一可行的應對方案是迅速冷卻整個電池模塊以阻止熱失控在模塊內部電池之間的傳遞。
b. 相對於其它的電化學儲能系統，鋰離子蓄電池使用的有機電解質具有易揮發、可燃燒的特點。因為電解質燃燒釋放出來的能量比電池所儲存的能量大很多倍，因此電解質燃燒會給電池故障帶來嚴重的後果。這是因為鋰離子蓄電池基本上使用的都是基於烷基碳酸鹽的電解質，其分解溫度通常在 150~200°C。電池溫度只要達到電解質的分解溫度，電解質就會分解併產生氣體。為了防止電池殼體爆炸，產生的氣體必須通過排氣裝置排出電池。這些氣體和周圍空氣混合起來會變成極易燃易爆的混合物，一點點火星就會引發爆炸。
c. 這次事故在完全沒有預警的情況下突然爆發，充分顯示了早期預警檢測技術在提高電池系統安全性方面的重要性。
d. 通過把陶瓷微粒包覆在現有隔膜表面或使用陶瓷微粒製備複合隔膜能減少隔膜在高溫下的熱收縮率，阻止電池短路，從而提高電池的安全性。
e. 散熱的重要性：電池模塊的
4 號電池位於電池模塊的邊角處，擁有最好的散熱條件，因此儘管發生了內短路，由於熱量被及時散出，整個事故過程中排氣閥保持完好，因而這隻電池熱失控的破壞性沒有其它電池大。
f. 小電池 vs 大電池：由於使用大電池方案，造成電池內部的熱量持續積累並且無法有效傳出，引發熱失控。由於在電池中儲存的能量被完全釋放出來之前不可能終止熱失控反應，電池儲存能量越多，釋放出來的熱量也就越大，如容量超過 20 Ah 的電池釋放出來的熱量很容易使電池溫度超過180°C，因此避免熱失控的難度也更大。
g. 電池間的熱隔絕：可以採用相變材料布置在單體電池之間，利用相變材料的相變潛熱抑制電池溫度過快升高。

參考文獻

[1] http://www.ntsb.gov/investigations/2013/boeing_787/JAL_B-787_1-24-13.pdf

[2] NTSB Office of aviation safety. Interim Factual Report [R/OL]. NTSB Press Release. [2013-03-07]. http://www.ntsb.gov/investigations/2013/boeing_787/DCA13IA037%20interim%20factual%20report.pdf．

[3] http://www.ntsb.gov/investigations/2013/boeing_787/JAL_B-787_2-7-13.pdf

[4] 方謀, 趙驍, 陳敬波, 等. 從波音 787 電池事故分析大型動力電池組的安全性[J]. 儲能科學與技術, 2014 (1): 42-46.

這個案子一直沒有過多關注，受邀實在惶恐。
鋰電池內阻很小，50ah的單體才1-2毫歐（配方和疊片工藝不同有影響）。所以大電流也不會有較大溫升，目前較多的測試結果，一般60安培左右的放電電流下，上述電池溫升經驗值15攝氏度。
然而鋰電池系統一定有電池管理系統的，電子器件的耐流就相對更難做，控制通斷的mos管在上述放電環境下溫升35攝氏度以上。
另外，散熱的障礙還有一塊是電池連接件，由於接觸電阻等因素，往往設計或是工藝問題帶來很高溫升。我們廠里就出現過試驗機的正極極柱溫升超過90攝氏度的例子。原因則不方便說了。
綜上，鋰電池發熱主要就是這三個組件。而連接件的設計和工藝，我懷疑是787的主要問題。鋰電在海拔超過3000米的應用還不多，而整個鋰電行業比起航天業的嚴謹，還差很遠，不排除沒有做過負壓、震動實驗就上天的可能。

謝邀...之前忙著別的事情，加之沒太跟進這起事故的調查進展，所以拖到現在才回答，見諒。根據wiki的描述，NTSB與JTSB的調查結果以及相關新聞報道，大致總結一下吧。

關於波音787客機鋰離子電池引發的問題，外界關注與報道的主要有兩起，一起是1月7日，美國波士頓Logan機場發生的日航787電池過熱起火事件，另一起則是1月16日，全日空787執飛由山口宇部機場至東京成田機場時，機組成員在駕駛艙內聞到刺鼻煙味，同時儀錶盤報警顯示電池故障，最後飛機緊急迫降在高松機場。

目前兩起事故的調查都未正式完結，因此還沒有形成最終的結論，但4月24日以後NTSB和JTSB再沒有發布最新的調查報告。4月25日，FAA正式批准了波音公司的電池修改方案；4月27日，波音787也已恢復飛行。根據NTSB的調查報告，導致日航787電池過熱起火的原因主要為電池組6號電芯內部短路引發熱失控，進而導致相鄰的電芯發生熱失控，最後引起電池起火（The investigation identified multiple, internal short circuits in cell 6 of the battery that started a thermal runaway and progressed to neighboring cells）；JTSB針對全日空787事故發布的調查報告中，也確認發現了電池內部短路引發熱失控的跡象（根據FDR記錄，電池電壓在10秒內由31V降至11V）。然而目前已發布的調查報告中，均並未指出電池發生內短路起火的根本原因，電池設計與製造是否存在瑕疵等問題也沒有得到確認。個人認為查清事故原因的希望不大了。

波音對電池的修改方案主要是加強電池殼體，增加隔離和耐熱能力。增加電芯間空隙，增加阻隔層，降低連鎖反應的可能性。加強接線和安裝件額防火能力，精確控制充電電壓，防止過充。新的殼體不僅隔熱，還阻絕空氣。經過測試，電解液釋放後，殼體受到強烈加熱，但由於缺乏空氣，殼體內無法引起燃燒和溫度飛升。引入空氣後，也由於空間有限，後續空氣無法進入，燃燒只能持續200毫秒。但波音的修改方案只能阻止火災蔓延，無法從根本上解決電池本身存在的問題。

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再補充一些細節...

波音787上共安裝了兩組鋰離子電池，一組主電池組放置在飛機前部，為駕駛艙中某些電子設備提供電源，另一組安放在飛機中後部，為飛機的輔助動力單元（APU）提供動力。兩組電池規格基本一致，均由8個3.7V的鈷酸鋰單體電池串聯而成，重約28.5kg，工作電壓區間20-32.2V，容量可達75Ah。電池的製造商為GS-湯淺公司。日航事件中發生事故的為APU電池組，全日空事件中則為主電池組。

事故發生後，日航和全日空全部停飛所有波音787客機，美國聯邦航空署（FAA）也宣布停飛美國註冊的所有787客機，其他國家也相繼跟進。美國國家運輸安全委員會（NTSB）和日本運輸安全委員會（JTSB）則分別對兩起事故展開調查。從NTSB (Accident Investigations)和JTSB (Japan Transport Safety Board English Page 日文)的網站上可以搜索到截至目前為止的所有階段性調查報告以及相關新聞。

先寫這麼多吧，在調查報告里還有更多細節可供參考。

個人以為單體電池缺陷引起的起火可能性更大。本身電池設計時就考慮到高溫的問題，合格的電池至少在130度下不起火、爆炸。電池散熱系統再不好也不會升到那麼高的溫度。波音787的問題從美國那邊的分析看，是因為單體電池內部的缺陷引起的，如：粉塵。他們在拆解電池後發現，電池極片上有個短路形成的熔穿孔，這是電池起火的起始點。散熱問題對電池的電性能會有一定影響或者對電池的安全性能有一定的負面影響，但不是決定性的因素，只是商家對外的說辭。附上兩張圖片。

背景：電池是日本人生產的，pack是法國人成組的，客機是美國人造的。
有一次鋰離子電池安全會議上，有人討論到這個問題，提到兩次事故均是引擎在第一次點火失敗後再次點火時發生的。考慮到點火時瞬間電流很大，再次點火時可能是在已經放電後的電池，再次大電流放電，導致電池過放造成安全事故（在之前使用其它蓄電池時也發生過過放而無法啟動的情況，但未起火），後來的處理方法中有一條就是針對性的將放電截止電壓提高。所以在場的日本和法國的研究人員都一致認為該問題是美國波音公司的鍋（未在場）。
以上是會議中聽來的，未經查實。

電池的熱管理是個難題，熱量在極耳等連接處彙集，化學反應不太均勻，

個人推測是系統錯誤導致電池過充電最後導致熱失控
可能是個烏龍，做電池管理系統的可能是另外一家公司，一種可能是把鉛酸電池浮充系統照搬到鋰離子電池上

並不是啊