鋰電池?zé)崾Э貒?yán)重,如何高鋰電池包的安全性？

來源：存能電氣  日期：2019-03-22 09:21  瀏覽量：次

　　鋰電池?zé)崾Э貒?yán)重，如何高鋰電池包的安全性？鋰離子電池作為在我們生活中最為常見的化學(xué)儲能電源，其安全性是我們永恒的關(guān)注點。在鋰電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計上人們采用了三層復(fù)合隔膜和陶瓷涂層隔膜，來提升鋰電池在高溫情況下的安全性。即便是做了萬全的安全設(shè)計，仍然難以避免，這就是機(jī)械濫用導(dǎo)致的鋰電池?zé)崾Э亍１疚拇婺茈姎庑【幘秃痛蠹伊牧娜绾慰刂其囯姵責(zé)崾Э亍?/span>

　　鋰電池?zé)崾Э貒?yán)重：

　　熱失控是發(fā)生在鋰電池包內(nèi)的一個電池上，熱失控電池釋放出的高溫，會導(dǎo)致熱失控在電池組內(nèi)部蔓延，引發(fā)嚴(yán)重的后果。因此，如何避免鋰離子電池發(fā)生熱失控和如何抑制熱失控在電池組內(nèi)部蔓延就成為了人們關(guān)注的焦點。

　　對于鋰離子電池而言，熱失控是最嚴(yán)重的安全事故。鋰電池?zé)崾Э卦从诋a(chǎn)熱速率遠(yuǎn)高于散熱速率，大量的熱量在鋰離子電池內(nèi)部積累，引起鋰離子電池溫度的快速升高，導(dǎo)致隔膜收縮、熔化，正負(fù)極活性物質(zhì)分解等自發(fā)的放熱反應(yīng)，引起鋰離子電池起火和爆炸。鋰電池?zé)崾Э貒?yán)重威脅著使用者的生命和財產(chǎn)安全，因此對熱失控的機(jī)理的研究就顯得尤為重要，以往由于實驗條件的限制，使得我們只能夠通過外殼溫度和電池電壓變化的情況間接的推斷鋰離子電池內(nèi)部的一些反應(yīng)。

　　從本質(zhì)上而言，“熱失控”是一個能量正反饋循環(huán)過程：升高的溫度會導(dǎo)致系統(tǒng)變熱，系統(tǒng)變熱升高溫度，這又反過來又讓系統(tǒng)變得更熱。熱失控是很常見的現(xiàn)象，從混凝土養(yǎng)護(hù)到恒星爆炸，都有可能會出現(xiàn)熱失控。熱失控現(xiàn)象及其強(qiáng)度與鋰電池的大小、配置和電池單元的數(shù)量有關(guān)。

　　小型鋰電池組只有幾個鋰電池單元，所以熱失控從有問題的電池單元傳播到其他單元的機(jī)會相對較低。而波音787巨大的電池組就是另外一回事了：它們裝在密封的金屬盒里，不能排放余熱，當(dāng)一個電池單元熱到足以點燃電解質(zhì)時，其余的電池單元就會迅速跟進(jìn)。

　　鋰電池充電時，金屬鋰的表面沉積非常容易聚結(jié)成枝杈狀鋰枝晶，從而刺穿隔膜，造成正負(fù)極直接短路。而且，金屬鋰非常活潑，可直接和電解液反應(yīng)放熱，其熔點又很低，即使表面金屬鋰枝晶沒有刺穿隔膜，只要溫度稍高，金屬鋰就會溶解，從而引發(fā)短路。材料發(fā)生氧化還原熱反應(yīng)的溫度越高，表明其氧化能力越弱，正極材料的氧化能力越強(qiáng)，發(fā)生反應(yīng)就越劇烈，也越容易引發(fā)安全事故。

　　如何高鋰電池包的安全性？

　　當(dāng)前引發(fā)鋰電池?zé)崾Э氐囊蛩囟喾N多樣，總結(jié)起來主要有過熱、過充、內(nèi)短路、碰撞等引起的發(fā)熱失控。如何提高鋰電池包的安全性，把熱失控的風(fēng)險降至最低成為人們研究的重中之重。對于單電池來說，其安全性除了與正極材料相關(guān)外，還與負(fù)極、隔膜、電解液、粘結(jié)劑等其他電池組成部分有著很大關(guān)系。下面講述研究者們是如何在電池材料上降低電池?zé)崾Э仫L(fēng)險，提高鋰電池包安全性。

　　一、正極材料

　　出于安全性考慮，正極材料需要與電解液的相容性和穩(wěn)定性好。在過充的情況下，正極的分解反應(yīng)及其與電解液的反應(yīng)放出大量熱量，造成爆炸。鈷酸鋰、鎳酸鋰的熱穩(wěn)定都比較差，鎳鈷錳酸鋰三元材料由于其比容量高、具有較高的比能量密度，成為當(dāng)下正極材料的理想之選。

　　在自組裝和抽濾的過程中，磷酸鐵鋰納米顆粒均勻得分散在高導(dǎo)電性且多孔的羥基磷灰石超長納米線/科琴黑納米顆粒/碳纖維基底中，從而形成自支撐、具有獨(dú)特復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰耐高溫正極材料，其具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和耐火性，即使在1000℃的高溫下也能保持其電化學(xué)活性和結(jié)構(gòu)完整性。

　　二、負(fù)極材料

　　負(fù)極材料的熱穩(wěn)定性與負(fù)極材料的種類、材料顆粒的大小以及負(fù)極所形成的SEI膜的穩(wěn)定性有關(guān)。如將大小顆粒按一定配比制成負(fù)極即可達(dá)到擴(kuò)大顆粒之間接觸面積,降低電極阻抗,增加電極容量,減小活性金屬鋰析出可能性的目的。

　　SEI膜形成的質(zhì)量直接影響鋰電池包的充放電性能與安全性,將碳材料表面弱氧化,或經(jīng)還原、摻雜、表面改性的碳材料以及使用球形或纖維狀的碳材料有助于SEI膜質(zhì)量的提高。解決碳負(fù)極材料安全性的方法主要有降低負(fù)極材料的比表面積、提高SEI膜的熱穩(wěn)定性。

　　三、隔膜

　　鋰電人士最近成功的研發(fā)出一種新型羥基磷灰石超長納米線基耐高溫鋰電池隔膜，該電池隔膜除了具有柔韌性高、力學(xué)強(qiáng)度好、孔隙率高、電解液潤濕和吸附性能優(yōu)良的特點外，更重要的是熱穩(wěn)定性高、耐高溫、阻燃耐火，在700℃的高溫下仍可保持其結(jié)構(gòu)完整性。

　　采用羥基磷灰石超長納米線基耐高溫電池隔膜組裝的電池在150℃高溫環(huán)境中能夠保持正常工作狀態(tài)，并點亮小燈泡，而采用PP隔膜組裝成的電池在150℃高溫下很快發(fā)生短路，可以有效提高鋰電池包的工作溫度和安全性。

　　四、電解液

　　鋰電池包電解液基本上是有機(jī)碳酸酯類物質(zhì)，是一類易燃物。常用電解質(zhì)鹽六氟磷酸鋰（LiPF6）存在熱分解放熱反應(yīng)。因此提高電解液的安全性對動力鋰離子電池的安全性控制至關(guān)重要。采用高濃度NaN(SO2F)2或者LiN(SO2F)2作為鋰鹽，添加常見的阻燃劑磷酸三甲酯TMP，制備的電解液能夠顯著提高鋰電池的熱穩(wěn)定性，而且阻燃劑的添加并沒有對鋰電池包的循環(huán)性能產(chǎn)生影響。

　　針對動力電池在使用中可能面臨沖擊的情況，很多人試圖在根源上避免外力導(dǎo)致的鋰電池內(nèi)短路發(fā)生，設(shè)計了一種具有剪切增稠特性的電解液，該電解液利用非牛頓流體的特性，在正常狀態(tài)下，電解液呈現(xiàn)液體狀態(tài)，在遭遇突然的沖擊后則會呈現(xiàn)固體狀態(tài)，變得異常堅固，甚至能夠達(dá)到防彈的效果，從而從根源上避免了在動力鋰電池包發(fā)生碰撞時電池內(nèi)短路導(dǎo)致熱失控的風(fēng)險。

　　五、導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑

　　導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑的種類與數(shù)量也影響著電池的熱穩(wěn)定性，粘結(jié)劑與鋰在高溫下反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱，不同粘結(jié)劑發(fā)熱量不同,PVDF的發(fā)熱量幾乎是無氟粘結(jié)劑的2倍,用無氟粘結(jié)劑代替PVDF可以提高電池的熱穩(wěn)定性。鋰離子電池?zé)崾Э貒?yán)重威脅著使用者的生命還財產(chǎn)安全，提高鋰離子電池的安全性、避免熱失控的發(fā)生不僅需要從電池材料上做出改變，還需要結(jié)合電池配方設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和鋰電池組的熱管理設(shè)計上多管齊下，共同提高鋰電池包熱穩(wěn)定性，減少熱失控發(fā)生的可能性。

　　隨著鋰電池包的不斷推廣，鋰電池的安全性越來越受到人們的關(guān)注，由于電池本身技術(shù)原因或是使用不當(dāng)?shù)葐栴}都可能會造成鋰離子電池爆炸，引起火災(zāi)等安全事故。尤其近幾年以電動汽車為主的電動交通工具市場對電池的需求不斷加大，在發(fā)展大功率鋰電池體系過程中，電池安全問題引起了廣泛重視，存在的問題急需進(jìn)一步解決。