鋰電池?zé)崾Э貒?yán)重,如何高鋰電池包的安全性？

來(lái)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(jiàn)的化學(xué)儲(chǔ)能電源，其安全性是我們永恒的關(guān)注點(diǎn)。在鋰電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上人們采用了三層復(fù)合隔膜和陶瓷涂層隔膜，來(lái)提升鋰電池在高溫情況下的安全性。即便是做了萬(wàn)全的安全設(shè)計(jì)，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(gè)電池上，熱失控電池釋放出的高溫，會(huì)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(diǎn)。

　　對(duì)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(cái)產(chǎn)安全，因此對(duì)熱失控的機(jī)理的研究就顯得尤為重要，以往由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，使得我們只能夠通過(guò)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(gè)能量正反饋循環(huán)過(guò)程：升高的溫度會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)變熱，系統(tǒng)變熱升高溫度，這又反過(guò)來(lái)又讓系統(tǒng)變得更熱。熱失控是很常見(jiàn)的現(xiàn)象，從混凝土養(yǎng)護(hù)到恒星爆炸，都有可能會(huì)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(gè)鋰電池單元，所以熱失控從有問(wèn)題的電池單元傳播到其他單元的機(jī)會(huì)相對(duì)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(gè)電池單元熱到足以點(diǎn)燃電解質(zhì)時(shí)，其余的電池單元就會(huì)迅速跟進(jìn)。

　　鋰電池充電時(shí)，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(diǎn)又很低，即使表面金屬鋰枝晶沒(méi)有刺穿隔膜，只要溫度稍高，金屬鋰就會(huì)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(lái)主要有過(guò)熱、過(guò)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(xiǎn)降至最低成為人們研究的重中之重。對(duì)于單電池來(lái)說(shuō)，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(xiǎn)，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(guò)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(rùn)濕和吸附性能優(yōu)良的特點(diǎn)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(zhǎng)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(diǎn)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(duì)動(dòng)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(jiàn)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(méi)有對(duì)鋰電池包的循環(huán)性能產(chǎn)生影響。

　　針對(duì)動(dòng)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(jì)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(huì)呈現(xiàn)固體狀態(tài)，變得異常堅(jiān)固，甚至能夠達(dá)到防彈的效果，從而從根源上避免了在動(dòng)力鋰電池包發(fā)生碰撞時(shí)電池內(nèi)短路導(dǎo)致熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。

　　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(wú)氟粘結(jié)劑的2倍,用無(wú)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(cái)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(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鋰電池組的熱管理設(shè)計(jì)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(lái)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?wèn)題都可能會(huì)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(dòng)汽車為主的電動(dòng)交通工具市場(chǎng)對(duì)電池的需求不斷加大，在發(fā)展大功率鋰電池體系過(guò)程中，電池安全問(wèn)題引起了廣泛重視，存在的問(wèn)題急需進(jìn)一步解決。