一　鋰離子電池的組成及工作原理

 

鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、電解液、隔膜以及外部連接、包裝部件構(gòu)成。其中，正極、負(fù)極包含活性電極物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑等，均勻涂布于銅箔和鋁箔集流體上。

 

 

 

鋰離子電池的正極電位較高，常為嵌鋰過(guò)渡金屬氧化物，或者聚陰離子化合物，如鈷酸鋰、錳酸鋰、三元、磷酸鐵鋰等；鋰離子電池負(fù)極物質(zhì)通常為碳素材料，如石墨和非石墨化碳等；鋰離子電池電解液主要為非水溶液，由有機(jī)混合溶劑和鋰鹽構(gòu)成，其中溶劑多為碳酸之類(lèi)有機(jī)溶劑，鋰鹽多為單價(jià)聚陰離子鋰鹽，如六氟磷酸鋰等；鋰離子電池隔膜多為聚乙烯、聚丙稀微孔膜，起到隔離正、負(fù)極物質(zhì)，防止電子通過(guò)引起短路，同時(shí)能讓電解液中離子通過(guò)的作用。

 

在充電過(guò)程中，電池內(nèi)部，鋰以離子形式從正極脫出，由電解液傳輸穿過(guò)隔膜，嵌入到負(fù)極中；電池外部，電子由外電路遷移到負(fù)極。在放電過(guò)程中：電池內(nèi)部鋰離子從負(fù)極脫出、穿過(guò)隔膜，嵌入到正極中；電池外部，電子由外電路遷移到正極。隨著充、放電，遷移于電池間的是“鋰離子”，而非單質(zhì)“鋰”，因此電池被稱為“鋰離子電池”。

 

二　鋰離子電池的安全隱患

 

一般來(lái)說(shuō)，鋰離子電池出現(xiàn)安全問(wèn)題表現(xiàn)為燃燒甚至爆炸，出現(xiàn)這些問(wèn)題的根源在于電池內(nèi)部的熱失控，除此之外，一些外部因素，如過(guò)充、火源、擠壓、穿刺、短路等問(wèn)題也會(huì)導(dǎo)致安全性問(wèn)題。鋰離子電池在充放電過(guò)程中會(huì)發(fā)熱，如果產(chǎn)生的熱量超過(guò)了電池?zé)崃康暮纳⒛芰Γ囯x子電池就會(huì)過(guò)熱，電池材料就會(huì)發(fā)生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)和負(fù)極與粘合劑的反應(yīng)等破壞性的副反應(yīng)。

 

 

 

1　正極材料的安全隱患

 

當(dāng)鋰離子電池使用不當(dāng)時(shí)，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度的升高，使正極材料會(huì)發(fā)生活性物質(zhì)的分解和電解液的氧化。同時(shí)，這兩種反應(yīng)能夠產(chǎn)生大量的熱，從而造成電池溫度的進(jìn)一步上升。不同的脫鋰狀態(tài)對(duì)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。

 

2　負(fù)極材料的安全隱患

 

早期使用的負(fù)極材料是金屬鋰，組裝的電池在多次充放電后易產(chǎn)生鋰枝晶，進(jìn)而刺破隔膜，導(dǎo)致電池短路、漏液甚至發(fā)生爆炸。嵌鋰化合物能夠有效避免鋰枝晶的產(chǎn)生，大大提高鋰離子電池的安全性。隨著溫度的升高，嵌鋰狀態(tài)下的碳負(fù)極首先與電解液發(fā)生放熱反應(yīng)。相同的充放電條件下，電解液與嵌鋰人造石墨反應(yīng)的放熱速率遠(yuǎn)大于與嵌鋰的中間相碳微球、碳纖維、焦碳等的反應(yīng)放熱速率。

 

3　隔膜與電解液的安全隱患

 

鋰離子電池的電解液為鋰鹽與有機(jī)溶劑的混合溶液，其中商用的鋰鹽為六氟磷酸鋰，該材料在高溫下易發(fā)生熱分解，并與微量的水以及有機(jī)溶劑之間進(jìn)行熱化學(xué)反應(yīng)，降低電解液的熱穩(wěn)定性。電解液有機(jī)溶劑為碳酸酯類(lèi)，這類(lèi)溶劑沸點(diǎn)、閃點(diǎn)較低，在高溫下容易與鋰鹽釋放PF5的反應(yīng)，易被氧化。

 

4　制造工藝中的安全隱患

 

鋰離子電池在制造過(guò)程中，電極制造、電池裝配等過(guò)程都會(huì)對(duì)電池的安全性產(chǎn)生影響。如正極和負(fù)極混料、涂布、輥壓、裁片或沖切、組裝、加注電解液的量、封口、化成等諸道工序的質(zhì)量控制，無(wú)一不影響電池的性能和安全性。漿料的均勻度決定了活性物質(zhì)在電極上分布的均勻性，從而影響電池的安全性。漿料細(xì)度太大，電池充放電時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)極材料膨脹與收縮比較大的變化，可能出現(xiàn)金屬鋰的析出；漿料細(xì)度太小會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻過(guò)大。涂布加熱溫度過(guò)低或烘干時(shí)間不足會(huì)使溶劑殘留，粘結(jié)劑部分溶解，造成部分活性物質(zhì)容易剝離；溫度過(guò)高可能造成粘結(jié)劑炭化，活性物質(zhì)脫落造成電池內(nèi)部短路。

 

5　電池使用過(guò)程中的安全隱患

 

鋰離子電池在使用過(guò)程中應(yīng)該盡可能減少過(guò)充電或者過(guò)放電，特別對(duì)于單體容量高的電池，因熱擾動(dòng)可能會(huì)引發(fā)一系列放熱副反應(yīng)，導(dǎo)致安全性問(wèn)題。

 

三　鋰離子電池安全檢測(cè)指標(biāo)

 

鋰離子電池生產(chǎn)出來(lái)后，在到達(dá)消費(fèi)者手中之前，還需要進(jìn)行一系列檢測(cè)，以盡量保證電池的安全性，降低安全隱患。

 

 

 

1、擠壓測(cè)試：將充滿電的電池放在一個(gè)平面上，由油壓缸施與13±1KN的擠壓力，由直徑為32mm的鋼棒平面擠壓電池，一旦擠壓壓力到達(dá)最大停止擠壓，電池不起火，不爆炸即可。

 

2、撞擊測(cè)試：電池充滿電后，放置在一個(gè)平面上，將直徑15.8mm的鋼柱垂直置于電池中心，將重量9.1kg的重物從610mm的高度自由落到電池上方的鋼柱上。電池不起火、不爆炸即可。