材料對鋰離子動(dòng)力電池安全性的影響有哪些？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-05-04 21:27
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一般而言，電池材料的熱穩(wěn)定性是鋰離子動(dòng)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)。當(dāng)電池溫度升高時(shí)，電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生許多放熱反應(yīng)，如果產(chǎn)生的熱量超過了熱量的散失，就會(huì)發(fā)生熱溢潰。鋰離子電池材料之間主要放熱反應(yīng)有：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)；負(fù)極與粘合劑的反應(yīng)；此外，由于電池存在電阻，使用時(shí)也產(chǎn)生少量熱量。
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。和負(fù)極材料相比，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。正負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)對鋰離子的嵌入和脫嵌有決定性影響，因而影響著電池的循環(huán)壽命。使用容易脫嵌的活性材料，充放電循環(huán)時(shí)，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。在鋰離子電池濫用的條件下，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，這兩種反應(yīng)將產(chǎn)生大量的熱，從而導(dǎo)致電池溫度的進(jìn)一步上升，同時(shí)不同的脫鋰狀態(tài)對活性物質(zhì)晶格轉(zhuǎn)變、分解溫度和電池的熱穩(wěn)定性影響相差很大。尋找熱穩(wěn)定性較好的正極材料是鋰離子動(dòng)力電池的關(guān)鍵。層狀LiCoO2、LiNiO2、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，電化學(xué)性能優(yōu)異，但由于鈷資源的限制，LiCoO2在鋰離子動(dòng)力電池方面的應(yīng)用受到限制；LiNiO2雖然容量較高，但合成困難、循環(huán)性能較差，也不適合作為鋰離子動(dòng)力電池的正極材料；LiMn2O4熱穩(wěn)定性好、資源豐富、價(jià)格低廉，適合作為鋰離子動(dòng)力電池的正極材料；LiFePO4由于合成原料資源豐富，成本低，對環(huán)境無污染，又有較高的比容量、有效利用率、適宜的電壓及較好的循環(huán)性能，是一種有應(yīng)用前景的鋰離子正極材料之一。
早期使用的負(fù)極材料是金屬鋰，而以金屬鋰為負(fù)極組裝的電池在多次充放電過程中易產(chǎn)生鋰枝晶，鋰枝晶會(huì)刺破隔膜，導(dǎo)致電池短路、漏液甚至發(fā)生爆炸。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。目前在鋰離子二次電池中較具使用價(jià)值和應(yīng)用前景的碳主要有三種：一是高度石墨化得碳，二是軟碳和硬碳，三是碳納米材料。
當(dāng)前鋰離子電池所用的負(fù)極材料大部分采用石墨，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。盡管目前研制出的醫(yī)學(xué)熱解碳具有700mAh/g的比容量，但是它的體積比容量還是非常有限。由于大功率的需要，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，研究主要向微小顆粒(納米級(jí))、單相向多相、摻雜非活性材料等方面發(fā)展。金屬和合金類負(fù)極在循環(huán)過程中，體積會(huì)發(fā)生很大的變化，循環(huán)壽命短。為延長壽命，采用金屬學(xué)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(jí))及表面處理技術(shù)。
