鋰離子電池生產(chǎn)通常經(jīng)歷多步驟的過程嗎？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-20 15:20
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與其他類型的電池相比，鋰離子電池發(fā)熱較大，其氣體排放，爆炸、起火的風險更高。這些風險還遠遠沒有被充分理解，而通過研究和事故分析是有可能提高系統(tǒng)安全性的。風險的類型和嚴重程度取決于不同的應用和電池系統(tǒng)的大小。由于電池和模塊故障的可傳播性，隨著電池系統(tǒng)尺寸的增加，故障后果可能會顯著增加。
鋰離子電池包含所有必要的火焰三角形的三個部分; 熱/點火器，可燃物質和氧氣。此外，一旦過熱，典型地從70℃~120℃開始，鋰離子電池開始臌脹并能夠釋放氣體（排氣）。排出的氣體易燃且有毒。如果溫度足夠高，達到的150℃~200℃，電池自生熱進入加速階段，熱失控（TR）可能發(fā)生。術語熱失控的起始溫度是指放熱反應開始并最終導致熱失控的溫度，而熱失控溫度是指熱失控的非?？焖俚臏囟壬?。熱失控通常伴隨著大量煙氣釋放，可能伴隨電池箱破損，燃燒或瓦斯爆炸。因此熱失控過程存在兩種主要類型的爆炸：電池殼體爆炸和與空氣混合的可燃排放氣體的氣體爆炸。圓柱形和硬質方形電池可以產(chǎn)生高內(nèi)部壓力，因此設計為通過內(nèi)置電池安全閥釋放氣體，但是如果排氣故障，電池內(nèi)部可能會產(chǎn)生極大的壓力，導致電池殼體爆炸。有兩種這樣的爆炸形式，一種是電池內(nèi)部的爆炸，另一種是封閉或半封閉外殼中積累的可燃氣體與空氣的混合氣體延遲點燃引起的爆炸。可燃氣體爆炸的后果可能比電池爆炸的后果嚴重得多。
排出的氣體可以包含溶劑蒸發(fā)和分解生成的產(chǎn)物，例如CO，CO2，H2，CH4。除CO外，還可以釋放大量不同的有毒化合物，包括氟化物氣體。氟化氫（HF）已經(jīng)引起了最多的關注，是非常有毒的氣體 。很少有已經(jīng)發(fā)表的研究報告說明商業(yè)鋰離子電池濫用期間釋放的HF量，和電解質燃燒釋放的HF的量 。電池中的氟來自鋰鹽，如LiPF 6，而且還來自電極粘合劑，如PVdF，電極材料和涂層，例如氟磷酸鹽和AlF3陰極涂層，以及含氟添加劑如阻燃劑。電池安全性非常復雜，整體觀點非常重要，例如通過引入AlF3涂層，熱失控發(fā)生的風險可以降低，而有毒氟化物氣體排放和氣體爆炸的風險可能會增加。因此整體安全難以評估，這取決于電池的大小和情況，并且對一個參數(shù)的改進實際上可能會惡化整體安全性。
有許多不同類型的濫用測試，常見的是外部加熱。有幾種類型的外部加熱方法適用于鋰離子電池，例如在烘箱中加熱，通過IR輻射加熱，加熱膜或其他加熱器，在密閉腔室內(nèi)使用加熱速率熱量計（ARC）或其他類型儀器。到目前為止，針對新電芯的研究很多，但很少有研究衰老對安全性的影響的。元件的性能在老化過程中可能會發(fā)生變化，但實際要求卻是，在整個電池壽命期間都需要具有高電池安全等級。老化通常以日歷和周期老化的形式出現(xiàn)。為了縮短測試時間，存儲和循環(huán)所述電芯通常在升高的溫度下進行，例如35 - 55°C，但是，在這些溫度下的測量結果與在環(huán)境溫度下使用時所獲得的數(shù)據(jù)并不完全相同，例如20℃，因為可能發(fā)生其他方面的分解反應。鋰離子電池的老化過程是非線性的和復雜的 ，還沒有被完全理解。例如，在老化期間，固體電解質界面（SEI）層發(fā)生變化，SEI在熱失控的早期階段發(fā)揮重要作用。有研究利用量熱技術描述了SEI這種改性的演變，利用XRD，XPS，SEM和拉曼光譜分析表面，描述了熱失控的三個主要階段。
有試驗通過ARC測試研究了日歷老化的索尼18650電池的熱穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)老化電芯開始放熱溫度高達70°C，說明老化電芯顯示出更高的放熱開始溫度。
另外有人研究了經(jīng)過10次和200次循環(huán)后0.75 Ah非商用石墨/鋰鈷氧化物（LCO）鋰離子電池，發(fā)現(xiàn)在針刺濫用試驗中，200次循環(huán)后熱安全性下降。
有人研究了在60℃下儲存至36周的2 Ah石墨/ LMO-NMC Li離子18650電池，在ARC測試中發(fā)現(xiàn)36周齡電芯的放熱反應和熱失控起始溫度較低。
相反，另外有人研究了在55°C儲存10到90天的4.6 Ah石墨/ LMO鋰離子電池，發(fā)現(xiàn)自熱和熱失控的起始溫度隨著老化的增加而增加。
另一個試驗，研究了1.5 Ah石墨/ LMO-NMC高功率Li離子18650電池在ARC測試中對循環(huán)老化的熱響應的影響，發(fā)現(xiàn)第一個放熱響應以及熱失控的開始溫度顯著降低，起始溫度低至30.7℃，并且在- 10°C進行的1C循環(huán)的電池的陽極上也發(fā)現(xiàn)鍍鋰現(xiàn)象。
一組人研究了石墨/ NMC 18650新的和循環(huán)老化電芯在0℃至70％健康狀態(tài)（SOH）下使用1C的ARC測試的安全性。老化電芯熱安全性降低，其具有低至30℃的自熱起始溫度以及較早的熱失控。同一作者還通過針刺濫用試驗研究了安全性，并發(fā)現(xiàn)老化電芯具有延遲但更劇烈的熱失控。一般情況下，低溫循環(huán)陽極鍍鋰和以過高的電流充電，都會提高鋰離子電池的風險性。
本次研究涉及的工作中，研究了在20°C和60°C下儲存的未循環(huán)電芯以及100，200或300個C/2深度循環(huán)電芯的鋰離子電芯安全性，所有電芯的類型相同，一種商用6.8 Ah石墨/ LiCoO 2 鋰離子電池。通過外部加熱（烘箱）形式的濫用測試評估安全性，同時進行FTIR氣體測量。進行一次ARC測試以比較安全評估方法。電池還減少了對非活性材料(如銅、鋁和塑料)的需求，這將降低電池的成本和充電所需的能量。該公司的電池技術還有助于保證更多的電極能夠儲存能量，這意味著幫助24M將進入一個有利可圖的細分市場，瞄準的就是像特斯拉這樣的電動汽車。目前的24M半固態(tài)電池能量密度在280-300Wh/kg之間,相較于目前市場上絕大多數(shù)250Wh/kg的動力電池而言具有相當大的優(yōu)勢，對于愿意為高端電動汽車車型支付的購車者而言再好不過了。
另外，24M表示已經(jīng)在實驗室證明其350 Wh/kg的電池是可行的。24M工程設計團隊正在建設能夠達到接近500 Wh/kg能量密度的鋰離子電池，這是目前市場上最好的動力電池能量密度的兩倍。半固態(tài)電池技術的目標市場是電動汽車，可以保證更長的電動汽車行駛里程、更低的電池成本和更快的制造時間。24M還瞄準電網(wǎng)儲能市場，這將有助于客戶更好地利用風能和太陽能，這使他們能夠與特斯拉、戴姆勒、寶馬、雷諾、日產(chǎn)和其他汽車制造商展開競爭。這些汽車制造商和其他電池技術公司正積極推動能夠提高能量密度的電池項目，可能包括替代電極化學和固體電解質。
固態(tài)電池相較于豐田、大眾、菲斯克、現(xiàn)代、寶馬等下一代鋰離子電池具有明顯的優(yōu)勢。大眾正在與供應商QuantumScape合作生產(chǎn)電動汽車電池并投入1億美元來推動項目，將目前300公里(約186.4英里)的續(xù)航里程提高到750公里(約466英里)。
大眾認為其電池能量密度將在2018年至2025年間增加近四分之一，這是因為鎳含量較高，最終會出現(xiàn)高壓電解質。投資新電池技術對于這家德國汽車制造商豐富的電動汽車系列來說至關重要，可以讓汽車購買者有更多的選擇，可以根據(jù)客戶的資金能力而進行差異化銷售。
影響電動汽車電池未來的另一個市場趨勢是減少電池中鈷的含量，這就得提到全球最大鈷供應國剛果民主共和國，而剛果民主共和國多年來一直面臨著停止使用童工開采鈷的壓力。由于剛國政局不穩(wěn)，鈷開采面臨較大的不確定性。特斯拉一直致力于減少鈷的使用量，稱其電池含鈷量不到3%，這一比例低于亞洲領先的電池制造商的電池含鈷量。
戴姆勒一直在努力通過在電池組中添加更多的鎳來擺脫價格昂貴的鈷。戴姆勒和競爭對手一直在研究電池中鎳鈷和錳混合物的新比例，該公司認為NMC(鋰鎳錳鈷氧化物)是非常有競爭力的產(chǎn)品。另外，松下及其客戶特斯拉正在使用NCA(鋰鎳鈷鋁氧化物)，而日產(chǎn)和LG化學正在使用LMO(鋰錳氧化物)。
