新型鋰離子動(dòng)力電池的安全性問題無解嗎

來源：存能電氣  日期：2019-07-26 11:29  瀏覽量：次

　　新型鋰離子動(dòng)力電池的安全性問題無解嗎？隨著手機(jī)、的數(shù)碼產(chǎn)品、電動(dòng)汽車普及，鋰離子電池在人們生活當(dāng)中扮演著越來越重要的角色。低能量密度、循環(huán)壽命有限等使用問題常常被人們?cè)嵅?，但是與這些問題相比，電池安全問題卻是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。近些年，由于電池安全問題引發(fā)的事故比比皆是，很多問題造成的后果觸目驚心。那是否新型鋰離子動(dòng)力電池的安全性問題真的無解？

　　鋰電池安全性問題分析

　　一般來說，鋰離子電池出現(xiàn)安全問題表現(xiàn)為燃燒甚至爆炸，出現(xiàn)這些問題的根源在于電池內(nèi)部的熱失控，除此之外，一些外部因素，如過充、火源、擠壓、穿刺、短路等問題也會(huì)導(dǎo)致安全性問題。鋰離子電池在充放電過程中會(huì)發(fā)熱，如果產(chǎn)生的熱量超過了電池?zé)崃康暮纳⒛芰?，鋰離子電池就會(huì)過熱，電池材料就會(huì)發(fā)生SEI膜的分解、電解液分解、正極分解、負(fù)極與電解液的反應(yīng)和負(fù)極與粘合劑的反應(yīng)等破壞性的副反應(yīng)。

　　▲熱力學(xué)的角度：研究已經(jīng)證實(shí)，不僅僅是在負(fù)極，正極材料的表面也覆蓋一層很薄鈍化膜，覆蓋在正負(fù)極表面的鈍化膜對(duì)鋰離子電池各方面性能均會(huì)產(chǎn)生非常重要的影響，并且這個(gè)特殊的界面問題只有在非水有機(jī)電解液體系才存在。

　　從費(fèi)米能級(jí)的角度而言，現(xiàn)有的鋰離子電池體系在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，它之所以能夠穩(wěn)定工作是因?yàn)檎龢O和負(fù)極表面的鈍化膜在動(dòng)力學(xué)上隔絕了正負(fù)極與電解液的進(jìn)一步反應(yīng)。因此，鋰電的安全性與正負(fù)極表面的鈍化膜的完整和致密程度直接相關(guān)，認(rèn)識(shí)這個(gè)問題對(duì)理解鋰電的安全性問題將是至關(guān)重要的。

　　▲熱傳遞角度：鋰離子電池的不安全行為(包括電池在過充過放、快速充放電、短路、機(jī)械濫用條件和高溫?zé)釠_擊等情況)容易觸發(fā)電池內(nèi)部的危險(xiǎn)性副反應(yīng)而產(chǎn)生熱量，直接破壞負(fù)極和正極表面的鈍化膜。

　　當(dāng)電芯溫度上升到130℃以后，負(fù)極表面的SEI膜分解，導(dǎo)致高活性鋰碳負(fù)極暴露于電解液中發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量使電池進(jìn)入高危狀態(tài)。

　　當(dāng)電池內(nèi)部局部溫度升高到200℃以上時(shí)，正極表面鈍化膜分解正極發(fā)生析氧，并繼續(xù)同電解液發(fā)生劇烈反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量并形成高內(nèi)壓。當(dāng)電池溫度達(dá)到240℃以上時(shí)，還伴隨鋰炭負(fù)極同粘結(jié)劑的劇烈放熱反應(yīng)。

　　可見，負(fù)極表面SEI膜的破損從而導(dǎo)致高活性嵌鋰負(fù)極與電解液的劇烈放熱反應(yīng)，是導(dǎo)致電池溫度升高進(jìn)而引發(fā)電池?zé)崾Э氐闹苯釉?。而正極材料的分解放熱只是熱失控反應(yīng)其中的一個(gè)環(huán)節(jié)，甚至都不是最主要的因素。磷酸鐵鋰(LFP)結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定通常狀態(tài)下不發(fā)生熱分解，但是其它危險(xiǎn)性副反應(yīng)在LFP電池中仍然存在，因此LFP電池的“安全性”只是相對(duì)意義上的。

　　▲電極材料的可燃性：鋰電采用的有機(jī)溶劑都具有易燃性并且閃點(diǎn)過低，不安全行為導(dǎo)致的熱失控很容易點(diǎn)燃低閃點(diǎn)的可燃性液體組分而導(dǎo)致電池燃燒。鋰電負(fù)極碳材料、隔膜和正極導(dǎo)電碳也具有可燃性。

　　鋰電發(fā)生燃燒的幾率高于電池爆炸的幾率，但電池爆炸必定伴隨著燃燒。此外，當(dāng)電池開裂并且外界環(huán)境的空氣濕度較高時(shí)，空氣中的水分和氧氣極易與嵌鋰的碳負(fù)極發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)放出大量的熱進(jìn)而引起電池的燃燒。電極材料的易燃性是鋰離子電池相對(duì)于水系二次電池的一大不同之處。

　　鋰離子電池安全檢測(cè)指標(biāo)

　　鋰離子電池生產(chǎn)出來后，在到達(dá)消費(fèi)者手中之前，還需要進(jìn)行一系列檢測(cè)，以盡量保證電池的安全性，降低安全隱患。

　　1、擠壓測(cè)試：將充滿電的電池放在一個(gè)平面上，由油壓缸施與13±1KN的擠壓力，由直徑為32mm的鋼棒平面擠壓電池，一旦擠壓壓力到達(dá)最大停止擠壓，電池不起火，不爆炸即可。

　　2、撞擊測(cè)試：電池充滿電后，放置在一個(gè)平面上，將直徑15.8mm的鋼柱垂直置于電池中心，將重量9.1kg的重物從610mm的高度自由落到電池上方的鋼柱上。電池不起火、不爆炸即可。

　　3、過充測(cè)試：將電池用1C充滿電，按照3C過充10V進(jìn)行過充試驗(yàn)，當(dāng)電池過充時(shí)電壓上升到一定電壓時(shí)穩(wěn)定一段時(shí)間，接近一定時(shí)間時(shí)電池電壓快速上升，當(dāng)上升至一定限度時(shí)，電池高帽拉斷，電壓跌至0V，電池沒有起火、爆炸即可。

　　4、短路測(cè)試：將電池充滿電后用電阻不大于50mΩ的導(dǎo)線將電池正負(fù)極短路，測(cè)試電池的表面溫度變化，電池表面最高溫度為140℃，電池蓋帽拉開，電池不起火、不爆炸。

　　5、針刺測(cè)試：將充滿電的電池放在一個(gè)平面上，用直徑3mm的鋼針沿徑向?qū)㈦姵卮檀?。測(cè)試電池不起火、不爆炸即可。

　　6、溫度循環(huán)測(cè)試：鋰離子電池溫度循環(huán)試驗(yàn)是用來模擬鋰離子電池在運(yùn)輸或貯存過程中，反復(fù)暴露在低溫和高溫環(huán)境下，鋰離子電池的安全性，試驗(yàn)是利用迅速和極端的溫度變化進(jìn)行的。試驗(yàn)后樣品應(yīng)不起火、不爆炸、不漏液。

　　新型鋰離子動(dòng)力電池的安全性能決定了鋰離子電池在動(dòng)力領(lǐng)域的市場(chǎng)和未來，影響動(dòng)力電池安全性能的因素貫穿了一個(gè)動(dòng)力電池從電芯選材到使用終結(jié)的生命周期的始終，因此原因復(fù)雜多樣層次豐富?？傊?，鋰離子動(dòng)力電池的安全性問題研究任重而道遠(yuǎn)，唯有理論結(jié)合實(shí)際不斷創(chuàng)新，才能迎來在高能量、高功率應(yīng)用領(lǐng)域真正意義上的輝煌。