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技術(shù)文章
鋰離子動力電池安全性研究進展
點擊次數(shù)：2133 發(fā)布時間：2014-10-31
鋰離子動力電池安全性研究進展
1引言
鋰離子電池是zui晚研究而商品化進程zui快的一種高性能電池。鋰離子電池以其*的優(yōu)勢目前以成為各個領(lǐng)域廣泛應用的新能源解決方案。鋰離子電池具有電壓高供給、比能量高更加廣闊、循環(huán)性能好等特點求索，越來越廣泛應用發(fā)哦3C市場領(lǐng)域提供了有力支撐、電動車（EV）和混合型電動車（HEV）市場領(lǐng)域鍛造、軍事用途及空間技術(shù)領(lǐng)域重要方式。東莞市貝爾試驗設(shè)備有限公司專業(yè)生產(chǎn)電池檢測設(shè)備開展面對面。
雖然，鋰離子二次電池的安全性相對于金屬鋰二次電池有了很大的提高非常重要，但仍存在著許多隱患進一步提升，比如：由于電池的比能量高，且電解液大多為有機易燃物等營造一處，當電池熱量產(chǎn)生速度大于散熱速度時改革創新，就有可能出現(xiàn)安全性問題。根據(jù)Ph.Biensan等的研究證明：鋰離子電池在濫用的條件下有可能產(chǎn)生使鋁集流體熔化的高溫（>700℃）取得顯著成效，從而導致電池出現(xiàn)冒煙新模式、著火實現、爆炸、乃至人員受傷等情況組織了。因此對鋰離子電池的研制和生產(chǎn)來說服務體系，電池的安全性不僅是指在各種測試條件下不出現(xiàn)冒煙、著火搶抓機遇、爆炸等現(xiàn)象分析，zui為重要的確保人員在電池濫用的條件下不受傷害。
本文從鋰離子電池設(shè)計全面闡釋、材料非常激烈、制造和使用條件等方面討論影響鋰離子動力電池安全性的各種因素，并提出了解決安全性問題的具體措施引人註目。
2電池設(shè)計對安全性的影響
鋰離子電池的安全性是由其自身特點決定的：
（1）電池能量密度很高領域，如果發(fā)生熱失控反映，放出很高的熱量容易導致不安全行為發(fā)生好宣講；
（2）鋰離子電池由于采用有機電解質(zhì)體系帶來全新智能，有機溶劑是碳氫化合物，在4.6V左右易發(fā)生氧化新產品，并且溶劑易燃，若出現(xiàn)泄漏等情況創新能力，會引起電池著火新品技，甚至燃燒、爆炸求得平衡；
（3）鋰離子電池過沖電反應會是正極材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而使材料具有很強的氧化作用紮實做，使電解液中溶劑發(fā)生強烈氧化，并且這種作用是不可逆的至關重要，反應引發(fā)的熱量如果積累會存在引發(fā)熱失控的危險提供深度撮合服務。
2.1時效性原則
鋰離子動力電池容量較大，風險隨容量的增加也成倍增加的發生，為此需要電池設(shè)計時考慮電池后期活性物質(zhì)的匹配性組成部分。隨著循環(huán)進行，電池容量逐步降低新的動力、內(nèi)阻增大的過程中，正極相對負極而言，有較大的結(jié)構(gòu)變化廣泛關註；同時負極表面SEI膜增厚促進進步，在循環(huán)末期，有鋰和鋰的化合物沉積優勢領先。
正是這些變化導致隨著循環(huán)進行迎來新的篇章，電池常規(guī)性能衰退和外形發(fā)生變化共創美好。隨著循環(huán)的進行，鋰的脫出與嵌入會引起顆粒的體積變化薄弱點，產(chǎn)生晶格內(nèi)應力覆蓋範圍，安全性變得越差。往往新電池能通過安全性試驗形勢，但使用中后期的電池不一定再能通過安全性試驗實踐者，因為在使用過程中正、負極等活性物質(zhì)不匹配約定管轄，在使用后期中會析出金屬鋰數據，金屬鋰異常活潑發揮，極易與很多無機物和有機物反應顯著，因此在電化學循環(huán)中，鋰表面的不均勻性易造成金屬鋰的不均勻沉積開放以來，行程鋰枝晶占，引發(fā)安全問題。要獲得可靠性與安全性好的鋰離子動力電池綜合運用，設(shè)計時必須考慮時效性供給，尤其應考慮電池在使用后期的安全性。
2.2可靠性原則
電池的使用環(huán)境千差萬別實事求是，不同的電池有不同的使用環(huán)境要求進行探討，甚至相同的電池使用環(huán)境也有天壤之別，更要關(guān)注的是電池在誤用或濫用條件下如何保證安全服務水平，長期循環(huán)的鋰離子電池的耐熱擾動及耐濫用能力變差最新。為避免電池在濫用時由于電池內(nèi)特定的能量輸入導致組成物質(zhì)物理或化學反應產(chǎn)生大量的熱，需對不同結(jié)構(gòu)的電池采用針對性設(shè)計處理方法。
對于圓柱形電池重要作用，PTC常作為過流保護元件。由于電池內(nèi)部具有置于正子與電極卷之間的限流裝置PTC習慣，電池過充時當電解液發(fā)生分解充足、電池溫度迅速上升時，該裝置開始作用并切斷電流導向作用。
而對于方形鋁殼電池內(nèi)部沒有限流裝置方案、并且由于鋁比較軟、易變形十大行動，只能靠電池外部裝置保證安全左右；采取鋁塑包裝膜制作的鋰離子電池，盡管電池內(nèi)部也沒有限流裝置綜合措施，但是周密的設(shè)計加上電池外安全裝置使電池更安全可靠保障，尤其對于蜂窩使用的情況自然條件，這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)在聚合物電池制造商普及。
對于圓柱和方形鋼殼結(jié)構(gòu)的鋰離子電池開展，具有安全設(shè)計的頂部泄氣閥結(jié)構(gòu)互動互補，當電池內(nèi)部產(chǎn)生大量氣體時，氣體使安全機構(gòu)啟動意向。除此功能外意料之外，還可以降低電池的溫度以消除電池熱失控。而對于鋁塑包裝膜電池形式，由于外包裝是軟性的鋁塑膜置之不顧，電池內(nèi)部沒有保護裝置，因此對電池的設(shè)計要求苛刻數字化。但是與圓柱鋼殼電池相比合作關系，當發(fā)生誤用與濫用使隨著化學反應產(chǎn)生的氣體逐步增大時，會將包裝膜鼓脹或?qū)X膜焊封位置鼓破而泄壓深刻內涵，從而保證了電池安全傳遞。
2.3安全保護電路
鋰離子電池在實際應用中為了提高安全性，需要保護電路以防止過充或過放深入闡釋，并防止電池性能劣化相關性。保護電路是由保護IC及兩只功率MOSFET管所構(gòu)成，其中保護IC檢視電池電壓物聯與互聯，當有過充電及過放電狀態(tài)時切換到外置的功率MOSFET管來保護電池可以使用，也有采用其他保護結(jié)構(gòu)。
3材料對鋰離子動力電池安全性的影響
一般而言紮實，電池材料的熱穩(wěn)定性是鋰離子動力電池安全性的重要因素。這主要與電池材料的熱活性有關(guān)新體系。當電池溫度升高時投入力度，電池內(nèi)部會發(fā)生許多放熱反應，如果產(chǎn)生的熱量超過了熱量的散失不難發現，就會發(fā)生熱溢潰貢獻法治。鋰離子電池材料之間主要放熱反應有：SEI膜的分解；電解液分解發展需要；正極分解攻堅克難；負極與電解液的反應；負極與粘合劑的反應顯示；此外雙向互動，由于電池存在電阻，使用時也產(chǎn)生少量熱量設計能力。
3.1正極材料
鋰離子電池正極材料一直是限制鋰離子電池發(fā)展的關(guān)鍵品牌。和負極材料相比深入開展，正極材料能量密度和功率密度低，并且也是引發(fā)鋰離子電池安全隱患的主要原因等形式。正負極材料的結(jié)構(gòu)對鋰離子的嵌入和脫嵌有決定性影響技術的開發，因而影響著電池的循環(huán)壽命。使用容易脫嵌的活性材料飛躍，充放電循環(huán)時更高效，活性材料的結(jié)構(gòu)變化小且可逆，有利于延長電池的壽命自動化方案。在鋰離子電池濫用的條件下緊密協作，隨著電池內(nèi)部溫度的升高，正極發(fā)生活性物質(zhì)的分解和電解液的氧化互動講，這兩種反應將產(chǎn)生大量的熱穩定性，從而導致電池溫度的進一步上升，同時不同的脫鋰狀態(tài)對活性物質(zhì)晶格轉(zhuǎn)變過程中、分解溫度和電池的熱穩(wěn)定性影響相差很大去突破。尋找熱穩(wěn)定性較好的正極材料是鋰離子動力電池的關(guān)鍵。層狀LiCoO2達到、LiNiO2智能設備、尖晶石LiMn2O4和橄欖石LiFePO4是目前研究較多的正極材料。LiCoO2熱穩(wěn)定性適中蓬勃發展，電化學性能優(yōu)異特點，但由于鈷資源的限制，LiCoO2在鋰離子動力電池方面的應用受到限制重要性；LiNiO2雖然容量較高又進了一步，但合成困難、循環(huán)性能較差多元化服務體系，也不適合作為鋰離子動力電池的正極材料規劃；LiMn2O4熱穩(wěn)定性好、資源豐富深度、價格低廉帶動擴大，適合作為鋰離子動力電池的正極材料；LiFePO4由于合成原料資源豐富開拓創新，成本低持續發展，對環(huán)境無污染，又有較高的比容量促進善治、有效利用率擴大、適宜的電壓及較好的循環(huán)性能，是一種有應用前景的鋰離子正極材料之一。
3.2負極材料
早期使用的負極材料是金屬鋰進行探討，而以金屬鋰為負極組裝的電池在多次充放電過程中易產(chǎn)生鋰枝晶落到實處，鋰枝晶會刺破隔膜，導致電池短路最新、漏液甚至發(fā)生爆炸技術創新。使用嵌鋰化合物避免了鋰枝晶的產(chǎn)生，從而大大提高了鋰離子電池的安全性製造業。目前在鋰離子二次電池中較具使用價值和應用前景的碳主要有三種：一是高度石墨化得碳優化服務策略，二是軟碳和硬碳，三是碳納米材料發展基礎。
當前鋰離子電池所用的負極材料大部分采用石墨兩個角度入手，而石墨的理論適量比容量只有372mAh/g，體積比容量也只有800mAh/cm3同期。盡管目前研制出的醫(yī)學熱解碳具有700mAh/g的比容量生產效率，但是它的體積比容量還是非常有限。由于大功率的需要效果，高能量密度的金屬和金屬化合物妒忌材料引起了廣泛關(guān)注使用，研究主要向微小顆粒（納米級）、單相向多相密度增加、摻雜非活性材料等方面發(fā)展有效性。
金屬和合金類負極在循環(huán)過程中，體積會發(fā)生很大的變化機遇與挑戰，循環(huán)壽命短廣泛關註。為延長壽命，采用金屬學上的近似法開發(fā)控制合金材料的組成和微觀組織（納米級）及表面處理技術(shù)集成技術。
近期研究表明：隨著溫度的升高就能壓製，嵌鋰狀態(tài)下的碳負極將首先與電解液發(fā)生放熱反應。在相同的充放電條件下適應能力，電解液與嵌鋰人造石墨反應的放熱速率遠大于嵌鋰的MCMB效果、碳纖維、焦炭等的反應放熱速率足了準備。硬碳類材料、軟碳類材料著力提升、石墨類材料的碳層間距約分別為0.38nm深刻內涵、0.34~0.35nm、0.335nm融合，當鋰嵌入碳層后深入闡釋，層間距約為0.371nm。石墨類材料的層間距zui小，其在鋰離子電池的嵌入和脫出過程中形變zui大物聯與互聯，鋰離子在此類碳層中的擴散速度也較慢穩定，大電流充放電時，極化大振奮起來、電阻大品質，電池的安全性差，硬碳類材料則相反深入各系統。
然而也有人認為：石墨化程度增加可以降低鋰離子擴散的活化性能解決問題，有利于鋰離子的擴散，而硬碳類材料由于存在大量的空洞作用，大電流充放時相互配合，其表現(xiàn)接近于金屬鋰負極，安全性反而不好著力增加。
在新材料的探索方面智能化，鋰化過渡金屬氮化物及過渡金屬磷族化合物是很好的例子，對該類材料的進一步研究有可能為鋰離子蓄電池負極材料的發(fā)展注入新的活力處理。
3.3隔膜與電解液
3.3隔膜與電解液
隔膜本身是電子的非良導體建設，但也允許電解質(zhì)離子通過。此外助力各業，隔膜材料還必須具備良好的化學極致用戶體驗、電化學穩(wěn)定性和機械性能以及在反復充放電過程中對電解液保持高度浸潤性，隔膜材料與電極之間的界面相容性應用、隔膜對電解質(zhì)的保持性均對鋰離子電池的充放電性能建議、循環(huán)性能等有較大影響。
電解液在鋰離子電池的正相貫通、負極之間起著輸送Li+的作用不斷發展，電解液與電極的相容性直接影響電池的性能，電解液的研究開發(fā)對鋰離子二次電池的性能和發(fā)展非常重要自動化方案。從電池的安全性方面考慮緊密協作，要求有機電解液具有良好熱穩(wěn)定性，在電池發(fā)熱產(chǎn)生高溫的條件下保持穩(wěn)定線上線下，整個電池不會發(fā)生熱失控發揮重要作用。有機電解液對鋰離子動力電池安全性的影響主要從溶劑、電解質(zhì)鋰鹽和添加劑三方面進行研究數據顯示。從根本上解決鋰離子電池安全性問題應為離子液體電解液高質量。
4制造工藝及制造過程與電池的安全性
鋰離子電池的制造工藝分為液態(tài)和聚合物鋰離子電池的制造工藝，無論是什么結(jié)構(gòu)的鋰離子電池記得牢，電極制造延伸、電池裝配等制造過程都會對電池的安全性產(chǎn)生影響。如正極和負極混料、涂布新趨勢、輥壓反應能力、裁片或沖切、組裝學習、加注電解液的量結構重塑、封口、化成等諸道工序的質(zhì)量控制新的力量，無一不影響電池的性能和安全性先進水平。
漿料的均勻度決定了活性物質(zhì)在電極上分布的均勻性，從而影響電池的安全性全面展示。漿料細度太大重要平臺，電池充放電時會出現(xiàn)負極材料膨脹與收縮比較大的變化，可能出現(xiàn)金屬鋰的析出核心技術；漿料細度太小會導致電池內(nèi)阻過大應用提升。涂布加熱溫度過低或烘干時間不足會使電池內(nèi)阻過大。涂布加熱時間過低或烘干時間不足會使溶劑殘留創造性，粘結(jié)劑部分溶解發展的關鍵，造成部分活性物質(zhì)容易剝離；溫度過高可能造成粘結(jié)劑炭化規模設備，活性物質(zhì)脫落形成電池內(nèi)短路真諦所在。
5電池使用安全
鋰離子電池的安全性備受關(guān)注，還與它的期望應用有著密切的關(guān)系競爭力。對于鋰離子動力電池充分，無論單體容量高低，必然采用電池的組合應用集聚，如果不能均衡控制競爭力，對某個單體來講，無異于濫用狀況。電池循環(huán)次數(shù)和充放電制度都對電池的安全性有明顯影響機製性梗阻，在使用過程中盡可能減少單體的過充電或者過放電，特別對于單體容量高的電池全過程，因熱擾動可能會引發(fā)一系列放熱副反應集成應用，zui終導致安全性問題。
鋰離子電池還有一個非常不好的“老化”特性大型。就是在存儲一段時間后服務效率，即使沒有進行循環(huán)使用，其部分容量也會*喪失可持續。究其原因還是電池的正負極從出廠后就已經(jīng)開始了它的衰竭過程。不同溫度和不同電量狀態(tài)下“老化”的速度也不同。存儲溫度越高和充的越飽構建，電池容量損失就會越迅速創新科技。故而不推薦大家砸飽和狀態(tài)下長時間保存鋰離子電池。對于存儲電池共創輝煌，盡量低溫儲存具有重要意義。
6展望
鋰離子蓄電池經(jīng)過近年來的發(fā)展，取得了長足的進步大部分，鋰離子動力電池已經(jīng)在市場上出現(xiàn)強大的功能。目前尚處于發(fā)展階段，正加以改進以期適用于工業(yè)環(huán)境中的高倍率充放電循環(huán)解決方案、高低溫條件優勢、惡劣的環(huán)境和低維護。隨著電池體系增產、電池材料等安全性問題的深入研究便利性，需從設(shè)計、生產(chǎn)行動力、使用方的共同努力解決鋰離子電池安全性提供有力支撐，避免不安全因素的發(fā)生，促進鋰離子動力電池的健康發(fā)展保供。