有哪些方法解決鋰電池的安全問題呢？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-11-11 04:23
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近年來，燃燒和爆炸的手機(jī)和筆記本電腦電池已經(jīng)失去了吸引力。最近三星Galaxy Note 7的大容量電池著火爆炸，再次將鋰離子電池的安全問題推到了風(fēng)口浪尖。
鋰離子動(dòng)力電池的安全性除了使用中的外部因素外，主要取決于基本的電化學(xué)系統(tǒng)和內(nèi)部因素，如電極/電池結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝等。電池采用的電化學(xué)系統(tǒng)是決定電池安全性的最基本因素。作者將從幾個(gè)不同的角度來分析鋰離子電池的安全性。
熱力學(xué)的觀點(diǎn):研究證實(shí),不僅僅是在陽極,陽極材料的表面還覆蓋一層薄,鈍化膜覆蓋的陽極鈍化膜表面的鋰離子電池的性能將是一個(gè)非常重要的影響,和特殊的接口問題只存在于非水有機(jī)電解液系統(tǒng)。這里我想強(qiáng)調(diào)的是，從費(fèi)米能級(jí)的角度來看，現(xiàn)有的鋰離子電池系統(tǒng)是熱力學(xué)不穩(wěn)定的。其工作穩(wěn)定的原因是正極和負(fù)極表面的鈍化膜將正極和負(fù)極與電解液的進(jìn)一步反應(yīng)分離。
因此，鋰電池的安全性直接關(guān)系到正極和負(fù)極表面鈍化膜的完整性和致密性。
傳熱角度:鋰離子電池的不安全行為(包括充電和放電,快速充電和放電,短路,機(jī)械虐待和高溫?zé)釠_擊,等等)是可能引發(fā)危險(xiǎn)的副反應(yīng)在電池和產(chǎn)生熱量,直接破壞了正面和負(fù)面的電極表面的鈍化膜。
當(dāng)堆芯溫度升高到130℃時(shí)，正極表面的SEI膜發(fā)生分解，高活性的鋰碳負(fù)極暴露在電解液中，產(chǎn)生的熱量使電池進(jìn)入高危狀態(tài)，導(dǎo)致氧化還原反應(yīng)劇烈。當(dāng)電池內(nèi)部局部溫度升高到200℃以上時(shí)，正極表面的鈍化膜將正極分解產(chǎn)生析氧，并繼續(xù)與電解液劇烈反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量，形成較高的內(nèi)部壓力。當(dāng)電池溫度達(dá)到240℃以上時(shí)，正極鋰與粘結(jié)劑之間也會(huì)發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)。
可以看出，由于SEI膜在負(fù)極表面的損傷，導(dǎo)致高活性嵌鋰負(fù)極與電解液發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)，這是導(dǎo)致電池溫度升高進(jìn)而導(dǎo)致電池?zé)峥刂频闹苯釉?。然而，正電極材料的分解放熱釋放只是熱失控反應(yīng)的一部分，甚至不是最重要的因素。
磷酸鐵鋰(LFP)的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，通常不會(huì)發(fā)生熱分解，但LFP細(xì)胞中仍然存在其他危險(xiǎn)的副反應(yīng)，所以LFP細(xì)胞的“安全性”只是相對(duì)而言的。從以上分析可以看出，溫度控制對(duì)鋰電池的安全具有重要意義。與3C小電池相比，大功率電池由于電池結(jié)構(gòu)、工作方式、環(huán)境等多種因素，散熱更加困難，因此大功率電池系統(tǒng)的熱管理設(shè)計(jì)非常重要。
電極材料可燃性:鋰電池使用的有機(jī)溶劑是易燃的，閃點(diǎn)低。不安全行為引起的熱失控，容易點(diǎn)燃燃點(diǎn)低的可燃液體成分，導(dǎo)致電池燃燒。鋰正極碳材料、膜和正極導(dǎo)電碳也是可燃的。
鋰電池的燃燒速率高于電池爆炸的燃燒速率，但電池爆炸必須伴隨燃燒。此外，當(dāng)電池出現(xiàn)裂紋，外部環(huán)境空氣濕度較高時(shí)，空氣中的水和氧很容易與嵌鋰碳陽極發(fā)生劇烈反應(yīng)，釋放大量熱量，導(dǎo)致電池燃燒。電極材料的可燃性是鋰離子電池與水二次電池的主要區(qū)別之一。
