如何提升單體電芯的安全性能？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-02-20 13:13
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盡管鋰電安全無法根治，但卻是可控可防的，正確面對并積極探索一些新的安全性技術(shù)，將有利于促進(jìn)電池技術(shù)進(jìn)步，比如提高材料/界面熱穩(wěn)定性，開發(fā)單體自激發(fā)熱保護(hù)技術(shù)，以及系統(tǒng)熱擴(kuò)展防范技術(shù)，就可以有效改善電池系統(tǒng)的安全性。以下為艾新平教授在電芯安全層面的研究，可供讀者參考。
表面包覆。正極的熱分解和它引起的析氧主要在于它和界面（電解液）的反應(yīng)，于是我們可以在正極活性表面包覆熱穩(wěn)定的保護(hù)層。比如在高鎳的正極表面包覆磷酸膜或者磷酸鋰以后，可以減少高鎳材料與電解液的直接接觸，從而降低副反應(yīng)的強(qiáng)度和產(chǎn)熱。常見的包覆材料包括磷酸鹽、氧化物、氟化物，也可以是一些聚合物。
構(gòu)建濃度梯度。高鎳正極的不安全，除了本身的熱穩(wěn)定性不好以外，更重要的是鎳對電解液的氧化分解作用非常強(qiáng)，而材料本身的放熱量并不是那么大，但是加上電解液以后，它的產(chǎn)熱溫度和產(chǎn)熱量是急劇提高的，原因就是電解液的界面反應(yīng)占了很大的部分。如果我們將高鎳作為核，用一些低鎳含量的材料作為殼，讓它內(nèi)外有一個(gè)濃度梯度，這樣就有助于降低這個(gè)材料界面的反應(yīng)活性，提高電池安全性。
提高SEI膜的穩(wěn)定性。上文提到熱失效往往是從負(fù)極SEI膜的分解開始的，如果我們采用一些方式能提高SEI膜的分解溫度，提高熱穩(wěn)定性，對電池安全性將起到至關(guān)重要的作用。現(xiàn)在的研究表明，一些有機(jī)脂類，一些有機(jī)磷酸鹽，甚至一些含氟的鋰鹽，他們都是可以有效的來提高負(fù)極SEI膜熱穩(wěn)定性的，提高它的分解溫度。
建立單體自激發(fā)熱保護(hù)。它的技術(shù)原理是利用溫度敏感材料切斷危險(xiǎn)溫度下電極上的電子傳輸或離子傳輸，甚至關(guān)閉電池反應(yīng)，從而終止產(chǎn)熱。比如PTC材料，隨著溫度的升高材料會(huì)從一個(gè)良好的導(dǎo)電態(tài)變成一個(gè)絕緣態(tài)，切斷電路。將PTC材料作為極流體的涂層或者作為電極的導(dǎo)電劑或者作為活性物質(zhì)的表面修飾層，即可有效的實(shí)現(xiàn)單體電芯的自發(fā)熱保護(hù)。與之類似的還有一種微球修飾隔膜，溫度升高時(shí)微球發(fā)生一個(gè)熔化，封閉隔膜上的孔道導(dǎo)致電池反應(yīng)關(guān)閉。
防止熱失控的誘發(fā)和蔓延才是工作重點(diǎn)
盡管艾新平教授介紹了多種提高單體電芯安全性的思路，但正如前文所提到的，我們始終無法從工藝上保證清除所有的安全隱患。與其在電芯的工藝層面做過多糾結(jié)，不如將工作重點(diǎn)放在系統(tǒng)層面，即防止單體發(fā)生熱失控以后產(chǎn)生系統(tǒng)的功能障礙，甚至是災(zāi)難性事故。
中國電動(dòng)汽車百人會(huì)執(zhí)行副理事長歐陽明高也表示，當(dāng)前鋰離子電池從單體層面完全杜絕熱失控是不太現(xiàn)實(shí)的，但我們可以從電池系統(tǒng)的熱機(jī)電設(shè)計(jì)與控制設(shè)計(jì)來防止誘發(fā)和蔓延，即便單體出現(xiàn)熱失控也不會(huì)發(fā)生事故。
確實(shí)，電芯的失效只是整個(gè)電池系統(tǒng)安全隱患的一小部分。站在模組的角度，由于電芯結(jié)構(gòu)、工作方式和環(huán)境等多方面的因素會(huì)使得電芯的安全隱患加倍的體現(xiàn)出來，因此動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)、生產(chǎn)管控的嚴(yán)密性等等才是更加重要的部分。
這也是為什么市場上無法直接買到鋰電池電芯的原因，電池芯生產(chǎn)商只會(huì)向經(jīng)過授權(quán)的Pack公司銷售自己的電芯，再由Pack公司將電芯與保護(hù)板封裝成電池包出售給電器生產(chǎn)商而不是消費(fèi)者。此外，電池包必須與專用的充電器搭配并嚴(yán)格按照規(guī)定的方法使用，其實(shí)研究一下眾多的電動(dòng)汽車充電自燃事故，不難發(fā)現(xiàn)，很大一部分自燃事件都是使用者沒有嚴(yán)格按照充電要求進(jìn)行操作。
目前，通過電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來保證動(dòng)力電池的安全性也是所有電池企業(yè)和主機(jī)廠的工作重點(diǎn)。同時(shí)，提高動(dòng)力電池測試強(qiáng)度也是進(jìn)一步保障電池安全的關(guān)鍵所在。中國汽車技術(shù)研究中心首席專家王芳在動(dòng)力電池技術(shù)峰會(huì)上也介紹了1月10號工信部掛在網(wǎng)上征求意見的“電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)”，與正在執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)相比，進(jìn)一步強(qiáng)化了測試內(nèi)容。
同時(shí)，王芳還表示，因?yàn)殡妱?dòng)汽車安全的概念，最基本的一條就是人員安全。一旦出現(xiàn)不可避免的電池?zé)崾Э?，及時(shí)預(yù)警并留給乘員有足夠的逃生時(shí)間是必不可少的。而只要有足夠的時(shí)間給人員逃生，從某種意義上說也是一種安全。
表面包覆。正極的熱分解和它引起的析氧主要在于它和界面（電解液）的反應(yīng)，于是我們可以在正極活性表面包覆熱穩(wěn)定的保護(hù)層。比如在高鎳的正極表面包覆磷酸膜或者磷酸鋰以后，可以減少高鎳材料與電解液的直接接觸，從而降低副反應(yīng)的強(qiáng)度和產(chǎn)熱。常見的包覆材料包括磷酸鹽、氧化物、氟化物，也可以是一些聚合物。
構(gòu)建濃度梯度。高鎳正極的不安全，除了本身的熱穩(wěn)定性不好以外，更重要的是鎳對電解液的氧化分解作用非常強(qiáng)，而材料本身的放熱量并不是那么大，但是加上電解液以后，它的產(chǎn)熱溫度和產(chǎn)熱量是急劇提高的，原因就是電解液的界面反應(yīng)占了很大的部分。如果我們將高鎳作為核，用一些低鎳含量的材料作為殼，讓它內(nèi)外有一個(gè)濃度梯度，這樣就有助于降低這個(gè)材料界面的反應(yīng)活性，提高電池安全性。
提高SEI膜的穩(wěn)定性。上文提到熱失效往往是從負(fù)極SEI膜的分解開始的，如果我們采用一些方式能提高SEI膜的分解溫度，提高熱穩(wěn)定性，對電池安全性將起到至關(guān)重要的作用。現(xiàn)在的研究表明，一些有機(jī)脂類，一些有機(jī)磷酸鹽，甚至一些含氟的鋰鹽，他們都是可以有效的來提高負(fù)極SEI膜熱穩(wěn)定性的，提高它的分解溫度。
建立單體自激發(fā)熱保護(hù)。它的技術(shù)原理是利用溫度敏感材料切斷危險(xiǎn)溫度下電極上的電子傳輸或離子傳輸，甚至關(guān)閉電池反應(yīng)，從而終止產(chǎn)熱。比如PTC材料，隨著溫度的升高材料會(huì)從一個(gè)良好的導(dǎo)電態(tài)變成一個(gè)絕緣態(tài)，切斷電路。將PTC材料作為極流體的涂層或者作為電極的導(dǎo)電劑或者作為活性物質(zhì)的表面修飾層，即可有效的實(shí)現(xiàn)單體電芯的自發(fā)熱保護(hù)。與之類似的還有一種微球修飾隔膜，溫度升高時(shí)微球發(fā)生一個(gè)熔化，封閉隔膜上的孔道導(dǎo)致電池反應(yīng)關(guān)閉。
防止熱失控的誘發(fā)和蔓延才是工作重點(diǎn)
盡管艾新平教授介紹了多種提高單體電芯安全性的思路，但正如前文所提到的，我們始終無法從工藝上保證清除所有的安全隱患。與其在電芯的工藝層面做過多糾結(jié)，不如將工作重點(diǎn)放在系統(tǒng)層面，即防止單體發(fā)生熱失控以后產(chǎn)生系統(tǒng)的功能障礙，甚至是災(zāi)難性事故。
中國電動(dòng)汽車百人會(huì)執(zhí)行副理事長歐陽明高也表示，當(dāng)前鋰離子電池從單體層面完全杜絕熱失控是不太現(xiàn)實(shí)的，但我們可以從電池系統(tǒng)的熱機(jī)電設(shè)計(jì)與控制設(shè)計(jì)來防止誘發(fā)和蔓延，即便單體出現(xiàn)熱失控也不會(huì)發(fā)生事故。
確實(shí)，電芯的失效只是整個(gè)電池系統(tǒng)安全隱患的一小部分。站在模組的角度，由于電芯結(jié)構(gòu)、工作方式和環(huán)境等多方面的因素會(huì)使得電芯的安全隱患加倍的體現(xiàn)出來，因此動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)、生產(chǎn)管控的嚴(yán)密性等等才是更加重要的部分。
這也是為什么市場上無法直接買到鋰電池電芯的原因，電池芯生產(chǎn)商只會(huì)向經(jīng)過授權(quán)的Pack公司銷售自己的電芯，再由Pack公司將電芯與保護(hù)板封裝成電池包出售給電器生產(chǎn)商而不是消費(fèi)者。此外，電池包必須與專用的充電器搭配并嚴(yán)格按照規(guī)定的方法使用，其實(shí)研究一下眾多的電動(dòng)汽車充電自燃事故，不難發(fā)現(xiàn)，很大一部分自燃事件都是使用者沒有嚴(yán)格按照充電要求進(jìn)行操作。
目前，通過電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來保證動(dòng)力電池的安全性也是所有電池企業(yè)和主機(jī)廠的工作重點(diǎn)。同時(shí)，提高動(dòng)力電池測試強(qiáng)度也是進(jìn)一步保障電池安全的關(guān)鍵所在。中國汽車技術(shù)研究中心首席專家王芳在動(dòng)力電池技術(shù)峰會(huì)上也介紹了1月10號工信部掛在網(wǎng)上征求意見的“電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)”，與正在執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)相比，進(jìn)一步強(qiáng)化了測試內(nèi)容。
同時(shí)，王芳還表示，因?yàn)殡妱?dòng)汽車安全的概念，最基本的一條就是人員安全。一旦出現(xiàn)不可避免的電池?zé)崾Э?，及時(shí)預(yù)警并留給乘員有足夠的逃生時(shí)間是必不可少的。而只要有足夠的時(shí)間給人員逃生，從某種意義上說也是一種安全。
