對(duì)于鋰離子電池，熱失控是最嚴(yán)重的安全事故，它會(huì)引起鋰離子電池起火甚至爆炸，直接威脅用戶(hù)的安全。鋰離子電池發(fā)生熱失控主要是由于內(nèi)部產(chǎn)熱遠(yuǎn)高于散熱速率，在鋰離子電池的內(nèi)部積攢了大量的熱量，從而引起了連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致電池起火和爆炸。

發(fā)熱失控的因素很多，總的來(lái)說(shuō)分為兩類(lèi)，內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素主要是：電池生產(chǎn)缺陷導(dǎo)致內(nèi)短路;電池使用不當(dāng)，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生鋰枝晶引發(fā)正負(fù)極短路。外部因素主要是：擠壓和針刺等外部因素導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生短路;電池外部短路造成電池內(nèi)部熱量累積過(guò)快;外部溫度過(guò)高導(dǎo)致SEI膜和正極材料等發(fā)生分解。

1熱失控原因分析

 

鋰離子電池的熱失控主要是因電池內(nèi)部溫度上升而起。目前商業(yè)鋰離子電池中應(yīng)用最廣的電解液體系是LiPF6的混合碳酸酯溶液，此類(lèi)溶劑揮發(fā)性高、閃點(diǎn)低、非常容易燃燒。當(dāng)沖撞或者變形引起的內(nèi)部短路，大倍率充放電和過(guò)充，就會(huì)產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致電池溫度上升。當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致一系列分解反應(yīng)，使電池的熱平衡受到破壞。當(dāng)這些化學(xué)反應(yīng)放出的熱量不能及時(shí)疏散，便會(huì)加劇反應(yīng)的進(jìn)行，并引發(fā)一連串的自加熱副反應(yīng)。電池溫度急劇升高，也就是“熱失控”，最終導(dǎo)致電池的燃燒，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生爆炸。

 

總的來(lái)說(shuō)，鋰離子電池熱失控原因主要集中在電解液的熱不穩(wěn)定性，以及電解液與正、負(fù)極共存體系的熱不穩(wěn)定性?xún)蓚€(gè)大的方面。

 

目前從大的方面來(lái)看，安全型鋰離子電池主要從外部管理和內(nèi)部設(shè)計(jì)兩個(gè)方面來(lái)采取措施，控制內(nèi)部溫度、電壓、氣壓來(lái)達(dá)到安全目的。

 

2解決熱失控的策略

 

2.1外部管理

 

1）PTC（正溫度系數(shù)）元件：在鋰離子電池中安裝PTC元件，其綜合考慮了電池內(nèi)部的壓力和溫度，當(dāng)電池因過(guò)充而升溫時(shí)，電池內(nèi)阻迅速提高從而限制電流，使正負(fù)極之間的電壓降為安全電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的自動(dòng)保護(hù)功能。

 

2）防爆閥：當(dāng)電池由于異常導(dǎo)致內(nèi)壓過(guò)大時(shí)，防爆閥變形，將置于電池內(nèi)部用于連接的引線切斷，停止充電。

 

3）電子線路：2~4節(jié)的電池組可以預(yù)埋電子線路設(shè)計(jì)鋰離子保護(hù)器，避免過(guò)充及過(guò)放電，從而避免安全事故發(fā)生，延長(zhǎng)電池壽命。

 

當(dāng)然這些外部控制方法都有一定效果，但這些附加裝置增加了電池的復(fù)雜性和生產(chǎn)成本，也不能徹底解決電池安全性問(wèn)題。因此，有必要建立一種內(nèi)在的安全保護(hù)機(jī)制。

 

2.2改進(jìn)電解液體系

 

電解液作為鋰離子電池的血液，電解液的性質(zhì)直接決定了電池的性能，對(duì)電池的容量、工作溫度范圍、循環(huán)性能及安全性能都有重要的作用。目前商用鋰離子電池電解液體系，其應(yīng)用最廣泛的組成是LiPF6、碳酸乙烯酯和線性碳酸酯。前面兩個(gè)是不可或缺的成分，它們的使用也產(chǎn)生了電池性能方面某些局限，同時(shí)電解液中使用了大量低沸點(diǎn)、低閃點(diǎn)的碳酸酯類(lèi)溶劑，在較低的溫度下即會(huì)閃燃，存在很大的安全隱患。因此，許多研究者嘗試改進(jìn)電解液體系以提高電解液的安全性能。在電池的主體材料（包括電極材料、隔膜材料和電解質(zhì)材料）在短時(shí)間內(nèi)不發(fā)生顛覆性改變的情況下，提高電解液的穩(wěn)定性是增強(qiáng)鋰離子電池安全性的一條重要途徑。

 

2.2.1功能添加劑功能添加劑具有用量少、針對(duì)性強(qiáng)的特點(diǎn)。即在不增加或基本不增加電池成本、不改變生產(chǎn)工藝的情況下能顯著改善電池的某些宏觀性能。因此，功能添加劑成為當(dāng)今鋰離子電池領(lǐng)域一個(gè)研究熱點(diǎn)，是解決目前鋰離子電池電解液易燃問(wèn)題最有希望的途徑之一。添加劑的基本作用就是阻止電池溫度過(guò)高和將電池電壓限定在可控范圍內(nèi)。因此，添加劑的設(shè)計(jì)也是從溫度和充電電位發(fā)揮作用的角度進(jìn)行考慮的。

 

阻燃添加劑：阻燃添加劑又可以根據(jù)阻燃元素的不同分為有機(jī)磷系阻燃添加劑、含氮化合物阻燃添加劑、鹵代碳酸酯類(lèi)阻燃添加劑、硅系阻燃添加劑以及復(fù)合阻燃添加劑５個(gè)主要類(lèi)別。

 

有機(jī)磷化物阻燃劑：主要包括一些烷基磷酸酯、烷基亞磷酸酯、氟化磷酸酯以及磷腈類(lèi)化合物。阻燃機(jī)理主要是阻燃分子干擾氫氧自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)也稱(chēng)為自由基捕獲機(jī)制。添加劑氣化分解釋放出含磷自由基，該自由基具有捕獲體系中氫自由基終止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的能力。