鋰離子電池的安全性及保養(yǎng)方法有哪些？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-27 15:05
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鋰離子電池的安全性問(wèn)題，其內(nèi)在原因是電池內(nèi)部發(fā)生了熱失控，熱量不斷的累積，造成電池內(nèi)部溫度持續(xù)上升，其外在的表現(xiàn)是燃燒、爆炸等劇烈的能量釋放現(xiàn)象。
電池是能量的高密度載體，本質(zhì)上就存在不安全因素，能量密度越高的物體，其能量劇烈釋放時(shí)的影響就越大，安全問(wèn)題也越突出。汽油、天然氣、乙炔等高能量載體，也都存在同樣的問(wèn)題，每年發(fā)生的安全事故，數(shù)不勝數(shù)。
不同的電化學(xué)體系、不同的容量、工藝參數(shù)、使用環(huán)境、使用程度等，都對(duì)鋰離子電池的安全性有較大的影響。
由于電池存儲(chǔ)能量，在能量釋放的過(guò)程中，當(dāng)電池?zé)崃慨a(chǎn)生和累積速度大于散熱速度時(shí)，電池內(nèi)部溫度就會(huì)持續(xù)升高。鋰離子電池由高活性的正極材料和有機(jī)電解液組成，在受熱條件下非常容易發(fā)生劇烈的化學(xué)副反應(yīng)，這種反應(yīng)將產(chǎn)生大量的熱，甚至導(dǎo)致的“熱失控”，是引發(fā)電池發(fā)生危險(xiǎn)事故的主要原因。
關(guān)于鋰離子電池的循環(huán)壽命和安全性
鋰離子電池內(nèi)部的熱失控，說(shuō)明電池內(nèi)部的一些化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)不是我們此前所期待的“可控”和“有序”，而是呈現(xiàn)出不可控和無(wú)序的狀態(tài)，導(dǎo)致能量的快速劇烈釋放。
那么，我們來(lái)看看，都有哪些化學(xué)反應(yīng)，會(huì)伴隨大量的熱產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致熱失控。
1. SEI膜分解，電解液放熱副反應(yīng)
固態(tài)電解質(zhì)膜實(shí)在鋰離子電池初次循環(huán)過(guò)程中形成，我們既不希望SEI膜太厚，也不希望它完全不存在。合理的SEI膜存在，能夠保護(hù)負(fù)極活性物質(zhì)，不跟電解液發(fā)生反應(yīng)。
關(guān)于鋰離子電池的循環(huán)壽命和安全性
可是當(dāng)電池內(nèi)部溫度達(dá)到130℃左右時(shí)，SEI膜就會(huì)分解，導(dǎo)致負(fù)極完全裸露，電解液在電極表面大量分解放熱，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度迅速升高。
這是鋰電池內(nèi)部第一個(gè)放熱副反應(yīng)，也是一連串熱失控問(wèn)題的起點(diǎn)。
2. 電解質(zhì)的熱分解
由于電解質(zhì)在負(fù)極的放熱副反應(yīng)，電池內(nèi)部溫度不斷升高，進(jìn)而導(dǎo)致電解質(zhì)內(nèi)的LiPF6和溶劑進(jìn)一步發(fā)生熱分解。
關(guān)于鋰離子電池的循環(huán)壽命和安全性
這個(gè)副反應(yīng)發(fā)生的溫度范圍大致在130℃~250℃之間，同樣伴隨著大量的熱產(chǎn)生，進(jìn)一步推高電池內(nèi)部的溫度。
一旦溫度上升到內(nèi)部連鎖反應(yīng)的門檻溫度(約130℃)，鋰離子電池內(nèi)部將會(huì)自發(fā)的產(chǎn)生一系列的放熱副反應(yīng)，并進(jìn)一步加劇電池內(nèi)部的熱量累積和溫度上升趨勢(shì)，這一過(guò)程還會(huì)析出大量的可燃性氣體。當(dāng)溫度上升到內(nèi)部溶劑和可燃性氣體的閃點(diǎn)、燃點(diǎn)時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致燃燒和爆炸等安全事故。
剛出廠的鋰離子電池通過(guò)安全測(cè)試認(rèn)證，并不代表鋰離子電池在生命周期中的安全性。根據(jù)我們前面的分析，在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，會(huì)發(fā)生負(fù)極表面的鋰金屬沉積，電解液的分解和揮發(fā)，正負(fù)極活性物質(zhì)的脫落，電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形，材料中混入金屬雜質(zhì)，以及其他很多非預(yù)期的變化，這些都會(huì)導(dǎo)致電池發(fā)生內(nèi)短路，進(jìn)而產(chǎn)生大量的熱量。再加上外部的各種濫用情況，如過(guò)充、擠壓、金屬穿刺、碰撞、跌落、沖擊等，也會(huì)導(dǎo)致電池在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量，成為熱失控的誘因。
在鋰離子電池的使用過(guò)程中，沒(méi)有絕對(duì)的安全性，只有相對(duì)的安全性。我們要盡量避免濫用的情況出現(xiàn)，降低危害事件發(fā)生的概率，同時(shí)也要從正負(fù)極材料、電解液、隔離膜等主要成分入手，選擇化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性優(yōu)良的材料，具有良好的阻燃特性，在出現(xiàn)內(nèi)外部熱失控的誘因時(shí)，降低內(nèi)部副反應(yīng)的發(fā)熱量，或者具有很高的燃點(diǎn)溫度，避免熱失控現(xiàn)象的發(fā)生。在電池結(jié)構(gòu)和殼體設(shè)計(jì)上面，要充分考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，達(dá)到足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能夠耐受外部的應(yīng)力，確保內(nèi)部不發(fā)生明顯的變形。此外，散熱性能也是需要著重考慮的，如果熱量能夠及時(shí)的散發(fā)出去，內(nèi)部的溫度就不會(huì)持續(xù)上升，熱失控也就不會(huì)發(fā)生。
鋰離子電池的安全性設(shè)計(jì)，是系統(tǒng)論，單純的以正極材料分解發(fā)熱來(lái)衡量鋰離子電池安全性并不全面。從系統(tǒng)的角度講，磷酸鐵鋰電池不見(jiàn)得一定比三元材料的電池更安全，因?yàn)樽罱K影響熱失控的因素很多，正極材料分解所產(chǎn)生的熱量?jī)H僅是其中的一個(gè)因素。
