鋰離子電池存在燃燒甚至爆炸等安全問題嗎？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-12-25 17:53
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新型鋰離子動(dòng)力電池的安全問題還沒有解決方案嗎?隨著手機(jī)、數(shù)碼產(chǎn)品和電動(dòng)汽車的普及，鋰離子電池在人們的生活中扮演著越來越重要的角色。低能量密度和有限的循環(huán)壽命經(jīng)常被批評(píng)，但電池安全是一個(gè)主要的問題。近年來，電池安全事故屢見不鮮，很多都造成了可怕的后果。難道真的沒有辦法解決新型鋰離子電池的安全問題嗎?
動(dòng)力鋰電池。JPG
鋰電池安全性分析
一般來說，鋰離子電池存在燃燒甚至爆炸等安全問題。這些問題的根本原因是電池內(nèi)部的熱失控。此外，一些外部因素，如過充、火源、擠壓、擊穿、短路等問題，也會(huì)導(dǎo)致安全問題。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的散熱能力，鋰離子電池就會(huì)過熱，電池材料會(huì)發(fā)生SEI膜分解、電解液分解、正極分解、負(fù)極與電解液反應(yīng)、負(fù)極與膠黏劑反應(yīng)等破壞性副反應(yīng)。
將熱力學(xué)的觀點(diǎn):研究證實(shí),不僅是在陰極,陽極材料的表面還覆蓋一層薄的鈍化膜,表面的鈍化膜覆蓋在電極的鋰離子電池性能將會(huì)非常重要對(duì)各個(gè)方面的影響,和特殊的接口問題只存在于非水有機(jī)電解液系統(tǒng)。
從費(fèi)米能級(jí)來看，現(xiàn)有的鋰離子電池系統(tǒng)在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的。其工作穩(wěn)定的原因是正負(fù)電極表面的鈍化膜動(dòng)態(tài)隔離了正負(fù)電極與電解液之間的進(jìn)一步反應(yīng)。因此，鋰的安全性直接關(guān)系到陽極和陰極表面鈍化膜的完整性和密度。
▲傳熱的角度來看: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)械濫用條件和高溫?zé)釠_擊,等等)很容易引發(fā)危險(xiǎn)的副反應(yīng)電池內(nèi)部產(chǎn)生熱量,直接破壞鈍化膜表面的正面和負(fù)面的電極。
當(dāng)電池溫度升高到130℃時(shí)，負(fù)極表面的SEI膜發(fā)生分解，導(dǎo)致高活性的鋰碳負(fù)極暴露于電解液中產(chǎn)生強(qiáng)烈的氧化還原反應(yīng)。產(chǎn)生的熱量使電池進(jìn)入高危狀態(tài)。
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)生氧氣，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)，鋰碳正極與粘結(jié)劑之間存在強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)。
可見，負(fù)極表面SEI膜的損傷導(dǎo)致了高活性嵌鋰負(fù)極與電解液之間強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)，是導(dǎo)致電池溫升和電池?zé)崾Э氐闹苯釉颉Ｈ欢?，陰極材料的分解和放熱只是熱失控反應(yīng)的一部分，甚至不是主要因素。磷酸鐵鋰(LFP)具有非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，通常不進(jìn)行熱分解，但是LFP電池中仍然存在其他危險(xiǎn)的副作用，所以LFP電池的“安全性”只是相對(duì)的。
▲電極材料可燃性:鋰電池使用的有機(jī)溶劑易燃，閃點(diǎn)過低。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、隔膜和正極導(dǎo)電碳也是可燃材料。
鋰電池更容易燃燒而不是爆炸。此外,當(dāng)電池破裂和外部環(huán)境中的空氣濕度高,水和空氣中的氧氣很容易有暴力與碳負(fù)極嵌入鋰的化學(xué)反應(yīng)釋放大量的熱量,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。
