鋰離子電池工作原理及安全隱患分析
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-11-23 07:04
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鋰離子電池工作原理
鋰離子電池是一種二次電池（充電電池），它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。在充放電過程中，Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。
鋰電池放電是靠化學(xué)的氧化還原反應(yīng)。放電時(shí)，也就是我們?cè)谑褂秒姵叵碾娏康臅r(shí)候，它的正極會(huì)嵌入鋰離子，負(fù)極鋰離子落嵌。充電的時(shí)候正好相反。他這種離子的得失會(huì)形成一定的電壓，使得電池產(chǎn)生電量。
鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時(shí)伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌。在充放電過程中，鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達(dá)到負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。
鋰離子電池能量密度大，平均輸出電壓高。自放電小，每月在10%以下。沒有記憶效應(yīng)。工作溫度范圍寬為-20℃～60℃。循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電、充電效率高達(dá)100%，而且輸出功率大。使用壽命長(zhǎng)。沒有環(huán)境污染，被稱為綠色電池。
鋰離子電池的安全隱患
一般來說，鋰離子電池出現(xiàn)安全問題表現(xiàn)為燃燒甚至爆炸，出現(xiàn)這些問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，如過充、火源、擠壓、穿刺、短路等問題也會(huì)導(dǎo)致安全性問題。鋰離子電池在充放電過程中會(huì)發(fā)熱，如果產(chǎn)生的熱量超過了電池?zé)崃康暮纳⒛芰Γ囯x子電池就會(huì)過熱，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，這類溶劑沸點(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程中，電極制造、電池裝配等過程都會(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)阻過大。
