鋰離子電池存在哪些安全隱患？如何避免鋰離子電池爆炸呢？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-08-02 09:15
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鋰離子電池安全性問(wèn)題是個(gè)復(fù)雜的綜合性問(wèn)題。電池安全性最大的隱患是電池隨機(jī)發(fā)生的內(nèi)短路，產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)失效，引發(fā)熱失控。所以開(kāi)發(fā)和使用熱穩(wěn)定性高的材料是將來(lái)改善鋰離子電池安全性能的根本途徑和努力的方向。
提高電池材料的熱穩(wěn)定性
正極材料可以通過(guò)優(yōu)化合成條件 ,改進(jìn)合成方法 ,合成熱穩(wěn)定性好的材料 ;或使用復(fù)合技術(shù)(如摻雜技術(shù))、表面包覆技術(shù)(如涂層技術(shù))來(lái)改善正極材料的熱穩(wěn)定性。
負(fù)極材料的熱穩(wěn)定性與負(fù)極材料的種類(lèi)、材料顆粒的大小以及負(fù)極所形成的SEI膜的穩(wěn)定性有關(guān)。如將大小顆粒按一定配比制成負(fù)極即可達(dá)到擴(kuò)大顆粒之間接觸面積,降低電極阻抗,增加電極容量,減小活性金屬鋰析出可能性的目的。
SEI 膜形成的質(zhì)量直接影響鋰離子電池的充放電性能與安全性,將碳材料表面弱氧化,或經(jīng)還原，摻雜，表面改性的碳材料以及使用球形或纖維狀的碳材料有助于SEI膜質(zhì)量的提高。
電解液的穩(wěn)定性與鋰鹽、溶劑的種類(lèi)有關(guān)。采用熱穩(wěn)定性好的鋰鹽,電位穩(wěn)定窗口寬的溶劑可以提高電池的熱穩(wěn)定性。在電解液中添加一些高沸點(diǎn)、高閃點(diǎn)和不易燃的溶劑可以改善電池的安全性。
導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑的種類(lèi)與數(shù)量也影響著電池的熱穩(wěn)定性，粘結(jié)劑與鋰在高溫下反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱 ,不同粘結(jié)劑發(fā)熱量不同 , PVDF 的發(fā)熱量幾乎是無(wú)氟粘結(jié)劑的2倍 ,用無(wú)氟粘結(jié)劑代替PVDF可以提高電池的熱穩(wěn)定性。
提高電池過(guò)充保護(hù)能力
為防止鋰離子電池過(guò)充 ,通常采用專(zhuān)用的充電電路來(lái)控制電池的充放電過(guò)程 ,或者在單個(gè)電池上安裝安全閥以提供更大程度的過(guò)充保護(hù) ; 其次也可采用正溫度系數(shù)電阻器(PTC),其作用機(jī)理為當(dāng)電池因過(guò)充而升溫時(shí) ,增大電池的內(nèi)阻 ,從而限制過(guò)充電流 ;還可采用專(zhuān)用的隔膜 ,當(dāng)電池發(fā)生異常引起隔膜溫度過(guò)高時(shí) ,隔膜孔隙收縮閉塞 ,阻止鋰離子的遷移 ,防止電池的過(guò)充。
防止電池的短路
對(duì)于隔膜而言而言,孔率為40%左右,且分布均勻，孔徑為10nm的隔膜能阻止正負(fù)極小顆粒運(yùn)動(dòng),從而提高鋰離子電池的安全性;
隔膜的絕緣電壓與其防止正負(fù)極的接觸有著直接的關(guān)系 ,隔膜的絕緣電壓依賴(lài)于隔膜的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及電池的裝配條件。
采用熱閉合溫度和熔融溫度差值比較大的復(fù)合隔膜 (如PP/PE/PP)可防止電池?zé)崾Э?。將隔膜表面涂覆陶瓷層提高隔膜耐溫性。利用低熔點(diǎn)的PE(125℃) 在溫度較低的條件下起到閉孔作用, PP(155℃) 又能保持隔膜的形狀和機(jī)械強(qiáng)度 ,防止正負(fù)極接觸 ,保證電池的安全性。
大家都知道以石墨負(fù)極替代金屬鋰負(fù)極,從而使充放電過(guò)程中鋰在負(fù)極表面的沉積和溶解變?yōu)殇囋谔碱w粒中的嵌入和脫出,防止了鋰枝晶的形成。但這并不代表鋰離子電池的安全性已經(jīng)解決,在鋰離子電池充電過(guò)程 ,如果正極容量過(guò)多,就會(huì)出現(xiàn)金屬鋰在負(fù)極表面沉積,負(fù)極容量過(guò)多,電池容量損失較嚴(yán)重。
涂布厚度及其均一性也影響鋰離子在活性物質(zhì)中的嵌入和脫出。例如負(fù)極面密度較厚不均一, 因此充電過(guò)程中各處極化大小不同, 就有可能發(fā)生金屬鋰在負(fù)極表面局部沉積。
此外,使用條件不當(dāng)也會(huì)引起電池的短路,低溫條件下,由于鋰離子的沉積速度大于嵌入速度 ,從而導(dǎo)致金屬鋰沉積在電極表面引起短路。因此,控制好正負(fù)極材料的比例,增強(qiáng)涂布的均勻性等是防止鋰枝晶形成的關(guān)鍵。
此外,粘結(jié)劑的晶化、銅枝晶的形成也會(huì)造成電池內(nèi)部短路。在涂布工藝中 ,通過(guò)涂布烘烤加熱將漿料中溶劑全部除去,若加熱溫度過(guò)高,則粘結(jié)劑也有可能發(fā)生晶化,會(huì)使活性物質(zhì)剝落,使電池內(nèi)部短路。
在過(guò)放條件下,當(dāng)電池過(guò)放至1-2V時(shí),作為負(fù)極集電體的銅箔將開(kāi)始溶解,并于正極上析出,小于1V時(shí)正極表面則開(kāi)始出現(xiàn)銅枝晶, 使鋰離子電池內(nèi)部短路。
