新型鋰離子動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詬病，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、短路等問題也會導(dǎo)致安全性問題。鋰離子電池在充放電過程中會發(fā)熱，如果產(chǎn)生的熱量超過了電池?zé)崃康暮纳⒛芰Γ囯x子電池就會過熱，電池材料就會發(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，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)極表面的鈍化膜對鋰離子電池各方面性能均會產(chǎn)生非常重要的影響，并且這個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)定工作是因為正極和負(fù)極表面的鈍化膜在動力學(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)識這個問題對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，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，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，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于水系二次電池的一大不同之處。

　　鋰離子電池安全檢測指標(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，以盡量保證電池的安全性，降低安全隱患。

　　1、擠壓測試：將充滿電的電池放在一個平面上，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、撞擊測試：電池充滿電后，放置在一個平面上，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、過充測試：將電池用1C充滿電，按照3C過充10V進(jìn)行過充試驗，當(dāng)電池過充時電壓上升到一定電壓時穩(wěn)定一段時間，接近一定時間時電池電壓快速上升，當(dāng)上升至一定限度時，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、針刺測試：將充滿電的電池放在一個平面上，用直徑3mm的鋼針沿徑向?qū)㈦姵卮檀?。測試電池不起火、不爆炸即可。

　　6、溫度循環(huán)測試：鋰離子電池溫度循環(huán)試驗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，試驗是利用迅速和極端的溫度變化進(jìn)行的。試驗后樣品應(yīng)不起火、不爆炸、不漏液。

　　新型鋰離子動力電池的安全性能決定了鋰離子電池在動力領(lǐng)域的市場和未來，影響動力電池安全性能的因素貫穿了一個動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。總之，鋰離子動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。