磷酸鐵鋰電池安全性及熱失控如何預(yù)防

來源：存能電氣  日期：2019-05-09 09:18  瀏覽量：次

　　磷酸鐵鋰電池安全性及熱失控如何預(yù)防？對于鋰電池，熱失控是最嚴(yán)重的安全事故。炸業(yè)內(nèi)常說的磷酸鐵鋰電池安全性好，就是因?yàn)樗鳛檎龢O在200-400℃的時(shí)候基本不發(fā)生分解，但正極的產(chǎn)熱只是副反應(yīng)的一部分，負(fù)極和電解液的氧化分解仍然存在，電池?zé)崾Э?，究其原因還是內(nèi)部出現(xiàn)了短路和過充的現(xiàn)象。

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　　磷酸鐵鋰電池發(fā)生熱失控主要是由于內(nèi)部產(chǎn)熱遠(yuǎn)高于散熱速率，在鋰離子電池的內(nèi)部積攢了大量的熱量，從而引起了連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致電池起火和爆炸。

　　(1)過熱觸發(fā)熱失控

　　導(dǎo)致動(dòng)力磷酸鐵鋰電池過熱的原因來自于電池的選型和熱設(shè)計(jì)的不合理，或者外短路導(dǎo)致電池的溫度升高、電纜的接頭松動(dòng)等，應(yīng)該從電池設(shè)計(jì)和電池管理兩個(gè)方面來解決。從電池材料設(shè)計(jì)角度，可以開發(fā)來防止熱失控的材料，阻斷熱失控的反應(yīng)；從電池管理角度，可以預(yù)測不同的溫度范圍，來定義不同的安全等級，從而進(jìn)行分級報(bào)警。

　　(2)過充電觸發(fā)熱失控

　　過充電觸發(fā)的熱失控是指磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)本身對過充電的電路安全功能缺失，導(dǎo)致電池的BMS已經(jīng)失控卻還在充電導(dǎo)致的。針對這類過充電的原因，解決辦法首先是查找充電機(jī)的故障，這可以通過充電機(jī)的完全冗余來解決；其次是看電池管理合不合理，比如說沒有監(jiān)控每一節(jié)電池的電壓。

　　(3)內(nèi)短路觸發(fā)熱失控

　　電池制造雜質(zhì)、金屬顆粒、充放電膨脹的收縮、析鋰等都有可能造成內(nèi)短路。這種內(nèi)短路是緩慢發(fā)生的，時(shí)間非常長，而且不知道它什么時(shí)候會(huì)出現(xiàn)熱失控。若進(jìn)行試驗(yàn)，無法重復(fù)驗(yàn)證。目前全世界專家還沒有找到能夠重復(fù)由雜質(zhì)引起的內(nèi)短路的過程，都在研究當(dāng)中。

　　要解決內(nèi)短路問題，首先要找到產(chǎn)品品質(zhì)好的電池廠商，選擇磷酸鐵鋰電池及電池單體容量；其次對內(nèi)短路進(jìn)行安全預(yù)測，在沒有發(fā)生熱失控之前，要找到有內(nèi)短路的單體。

　　(4)機(jī)械觸發(fā)熱失控

　　碰撞是典型的機(jī)械觸發(fā)熱失控的一種方式。如果在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行碰撞的一個(gè)仿真，最接近的是針刺。通過對三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池進(jìn)行針刺試驗(yàn)，研究熱失控過程，發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池在這個(gè)熱失控過程中沒有三元鋰電池放熱表現(xiàn)的那么劇烈。實(shí)驗(yàn)表明，不同的材料在針刺的時(shí)候會(huì)有不同的反應(yīng)，磷酸鐵鋰相對安全。解決碰撞觸發(fā)熱失控的辦法就是做好電池的安全保護(hù)設(shè)計(jì)。

　　磷酸鐵鋰電池安全性及熱失控如何預(yù)防？

　　盡管磷酸鐵鋰電池安全無法根治，但卻是可控可防的，正確面對并積極探索一些新的安全性技術(shù)，將有利于促進(jìn)電池技術(shù)進(jìn)步，比如提高材料/界面熱穩(wěn)定性，開發(fā)單體自激發(fā)熱保護(hù)技術(shù)，以及系統(tǒng)熱擴(kuò)展防范技術(shù)，就可以有效改善磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)的安全性。

　　⒈表面包覆

　　正極的熱分解和它引起的析氧主要在于它和界面（電解液）的反應(yīng)，于是我們可以在正極活性表面包覆熱穩(wěn)定的保護(hù)層。比如在高鎳的正極表面包覆磷酸膜或者磷酸鋰以后，可以減少高鎳材料與電解液的直接接觸，從而降低副反應(yīng)的強(qiáng)度和產(chǎn)熱。常見的包覆材料包括磷酸鹽、氧化物、氟化物，也可以是一些聚合物。

　　⒉構(gòu)建濃度梯度

　　高鎳正極的不安全，除了本身的熱穩(wěn)定性不好以外，更重要的是鎳對電解液的氧化分解作用非常強(qiáng)，而材料本身的放熱量并不是那么大，但是加上電解液以后，它的產(chǎn)熱溫度和產(chǎn)熱量是急劇提高的，原因就是電解液的界面反應(yīng)占了很大的部分。如果我們將高鎳作為核，用一些低鎳含量的材料作為殼，讓它內(nèi)外有一個(gè)濃度梯度，這樣就有助于降低這個(gè)材料界面的反應(yīng)活性，提高磷酸鐵鋰電池安全性。

　　⒊提高SEI膜的穩(wěn)定性

　　上采用一些方式能提高SEI膜的分解溫度，提高熱穩(wěn)定性，對磷酸鐵鋰電池安全性將起到至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)在的研究表明，一些有機(jī)脂類，一些有機(jī)磷酸鹽，甚至一些含氟的鋰鹽，他們都是可以有效的來提高負(fù)極SEI膜熱穩(wěn)定性的，提高它的分解溫度。

　?、唇误w自激發(fā)熱保護(hù)

　　它的技術(shù)原理是利用溫度敏感材料切斷危險(xiǎn)溫度下電極上的電子傳輸或離子傳輸，甚至關(guān)閉電池反應(yīng)，從而終止產(chǎn)熱。比如PTC材料，隨著溫度的升高材料會(huì)從一個(gè)良好的導(dǎo)電態(tài)變成一個(gè)絕緣態(tài)，切斷電路。將PTC材料作為極流體的涂層或者作為電極的導(dǎo)電劑或者作為活性物質(zhì)的表面修飾層，即可有效的實(shí)現(xiàn)單體電芯的自發(fā)熱保護(hù)。與之類似的還有一種微球修飾隔膜，溫度升高時(shí)微球發(fā)生一個(gè)熔化，封閉隔膜上的孔道導(dǎo)致電池反應(yīng)關(guān)閉。

　　我國有發(fā)展磷酸鐵鋰電池的優(yōu)勢。磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)水平不斷提高，產(chǎn)品性能穩(wěn)定。存能電氣小編認(rèn)為，磷酸鐵鋰電池應(yīng)成為動(dòng)力電池的發(fā)展重點(diǎn)，應(yīng)鼓勵(lì)繼續(xù)研究、提高產(chǎn)品性能，解決安全性能！