如何將電池內(nèi)的熱管理工作從而避免熱失控？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-06-23 19:56
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煙霧、火災(zāi)甚至爆炸等常見的鋰離子電池事故的根源大都來自于電池?zé)崃康?ldquo;失控”。如何將電池內(nèi)的熱管理工作做好，為電池中的熱量分子們戴上“緊箍咒”，已成為未來解決動力電池安全的必答題。
“鋰離子電池安全與否，歸根到底取決于電池能否避免熱失控。”武漢大學(xué)教授艾新平介紹，在鋰電池中，除了我們熟知的正常充放電反應(yīng)外，還存在著潛在的負(fù)反應(yīng)。
“溫度越高，電池負(fù)反應(yīng)的反應(yīng)速度就越大，最終導(dǎo)致電池進(jìn)入一個無法控制的自加溫狀態(tài)，也即熱失控狀態(tài)。它是導(dǎo)致電池發(fā)生爆炸和燃燒的主因。”艾新平進(jìn)一步解釋。
“采用不同的正極材料，鋰離子電池的安全性就不同。”艾新平解釋，這是由于正極在電池中所占的質(zhì)量比是最大的，常規(guī)來說放熱量也是最大，“因此正極材料的選擇對電池的安全性影響非常大。”
三個層面進(jìn)行熱管理
“要提高電池的安全性，需從三個層面入手。一是材料層面，二是單體層面，第三個層面是系統(tǒng)層面。”艾新平介紹。
在材料層面，要重點提高材料和界面的熱穩(wěn)定性，降低其產(chǎn)熱量；在單體層面，除優(yōu)化電池?zé)嵩O(shè)計外，更重要的是發(fā)展熱保護(hù)技術(shù)，如PTC電極、熱關(guān)閉隔膜等；在系統(tǒng)層面，則需重點開展隔熱設(shè)計，防止熱擴展。
研究表明，在對電池系統(tǒng)的熱分析中，磷酸鐵鋰的熱穩(wěn)定性從材料上來講是最好的。“電池的安全性首先取決于自身材料的安全性。”上海交通大學(xué)特聘教授馬紫峰指出，要增加電池的安全性，高能量的電池就可能需要在系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中加入特定的保護(hù)裝置，比如說冷卻系統(tǒng)、防爆系統(tǒng)等。
在單體層面，除了常規(guī)的熱安全設(shè)計外，更重要的是要建立單體自激發(fā)熱保護(hù)。“讓單體能根據(jù)自身感受的溫度，調(diào)整自己的電流輸出或功率輸出。電池如果可以關(guān)閉反應(yīng)，其產(chǎn)熱也就終止了。”艾新平指出，PTC熱敏電阻材料的一個重要特征就是溫度升高到一定程度時，該材料就會從一個良好的導(dǎo)電態(tài)變成絕緣態(tài)，這將是單體熱保護(hù)技術(shù)中的重要路徑之一。
“除材料和單體的影響，系統(tǒng)也是電池安全性熱管理中不可缺失的一環(huán)。“在系統(tǒng)中，對電池狀態(tài)的估計非常重要，要用數(shù)學(xué)模型將其精確描述出來，并與電池的模型中的材料化學(xué)體系對應(yīng)起來。”馬紫峰表示。
“提高材料或界面的熱穩(wěn)定性，開發(fā)單體自激發(fā)熱保護(hù)技術(shù)，以及系統(tǒng)熱擴展防范技術(shù)，可有效改善電池系統(tǒng)的安全性，未來需加強研究。”艾新平表示，電池的安全性問題將伴隨電池比能量提高而變得愈加嚴(yán)峻，但不應(yīng)由此否定動力電池技術(shù)路線和發(fā)展趨勢，正確面對并積極探索一些新的安全性技術(shù)，以促進(jìn)電池技術(shù)進(jìn)步。
鋰電池電解液的主要成分：
電解液一般由高純度的有機溶劑、電解質(zhì)鋰鹽、必要的添加劑等原料，在一定條件下、按一定比例配制而成的。鋰電池電極液的主要成分有以下七種：
1.碳酸乙烯酯：分子式：C3H4O3，透明無色液體（>35℃），室溫時為結(jié)晶固體，是聚丙烯腈、聚氯乙烯的良好溶劑。
2.碳酸丙烯酯，無色無氣味，或淡黃色透明液體，溶于水和四氯化碳，與乙醚，丙酮，苯等混溶。本品應(yīng)儲存于陰涼、通風(fēng)、干燥處，遠(yuǎn)離火源，按一般低毒化學(xué)品規(guī)定儲運。
3.碳酸二乙酯，無色液體，稍有氣味；蒸汽壓1.33kPa/23.8℃；閃點25℃（可燃液體能揮發(fā)變成蒸氣，跑入空氣中。
4.碳酸二甲酯，是一種無毒、環(huán)保性能優(yōu)異、用途廣泛的化工原料；同時具有較高的蒸發(fā)溫度和較快的蒸發(fā)速度。
5.碳酸甲乙酯，無色透明液體，是近年來興起的高科技、高附加值的化工產(chǎn)品，一種優(yōu)良的鋰離子電池電解液的溶劑，本品應(yīng)儲存于陰涼、通風(fēng)、干燥處，按易燃化學(xué)品規(guī)定儲運。
6.六氟磷酸鋰，白色結(jié)晶或粉末，潮解性強；暴露空氣中或加熱時分解，暴露空氣中或加熱時六氟磷酸鋰在空氣中由于水蒸氣的作用而迅速分解，放出PF5而產(chǎn)生白色煙霧。
7.五氟化磷，是磷鹵化合物。五氟化磷在常溫常壓下為無色惡臭氣體，其對皮膚、眼睛、粘膜有強烈刺激性。五氟化磷被用作聚合反應(yīng)的催化劑。
鋰電池電解液如何影響電池質(zhì)量？
為了確定電解液對鋰電池的影響，研究團(tuán)隊利用LiTFSI和LiFSI做相關(guān)實驗，LiTFSI和LiFSI是非常相似的兩種電解液，僅僅是LiFSI比LiTFSI含有更少的碳和氟。他們利用環(huán)境分子實驗室里的設(shè)備不斷地測試電池充放電的能量，最后對電極做了調(diào)查分析。
他們發(fā)現(xiàn)用LiTFSI做電解液的鋰硫電池當(dāng)中，鋰原子被硫原子束縛，在電極表面形成硫化鋰（LiSx）。而用LiFSI做電解液時，則形成硫酸鋰（LiSOx）。通過計算兩種鋰的化合物的結(jié)合緊密度，他們發(fā)現(xiàn)鋰硫化物容易破裂釋放鋰。然而，硫酸鋰是很難分開的，因此硫酸鋰當(dāng)中的氧元素是罪魁禍?zhǔn)住?/div>
通過將宏觀的成分分析與模擬相結(jié)合，我們可以看到哪些鍵容易破碎，如果化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，會發(fā)生什么。"正在國家實驗室領(lǐng)導(dǎo)這項研究的Ji-Guang（Jason）Zhang博士說到，"這個過程讓我們識別電解質(zhì)的行為，引導(dǎo)我們設(shè)計更好的電解質(zhì)，提高鋰硫電池的循環(huán)壽命。
鋰電池電解液成份優(yōu)勢是什么？
a.高的離子電導(dǎo)率，一般應(yīng)達(dá)到1x10-3~2x10-2S/cm;
b.高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，在較寬的電壓范圍內(nèi)不發(fā)生分離；
c.較寬的電化學(xué)窗口，在較寬的電壓范圍內(nèi)保持電化學(xué)性能的穩(wěn)定；
d.與電池其他部分例如電極材料、電極集流體和隔膜等具有良好的相容性；
e.安全、無毒、無污染性。
以上就是鋰電池電解液成分詳細(xì)介紹，目前商用鋰電池所用的電解液大部分采用LiPF6的EC/DMC，它具有較高的離子導(dǎo)電率與較好的電化學(xué)穩(wěn)定性?？偟膩碚f，鋰電池電解液的作用是非常大的，而且它的發(fā)展前景也是非常廣闊的。
鋰離子電池具有電壓高、比能量高、循環(huán)使用次數(shù)多、存儲時間長等優(yōu)點，不僅在便攜式電子設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用，而且也廣泛應(yīng)用于電動汽車、電動自行車以及電動工具等大中型電動設(shè)備方面，尤其是其中的鋰離子動力電池是目前各大電池廠家發(fā)展的主要方向。
現(xiàn)有鋰離子動力電池發(fā)展的一大技術(shù)問題就是鋰離子電池封口問題，在鋰離子動力電池的使用過程中，電池封口是影響電池長期性能和安全性能的一個關(guān)鍵因素，如果鋰離子動力電池封口不嚴(yán)密，在使用過程電池充放電使電池內(nèi)部發(fā)熱，電液在溫度影響下快速揮發(fā)，電液容易枯竭，導(dǎo)致電池內(nèi)阻迅速增大，電池容量快速降低，造成電池失效，在一些極端的情況下，電池電液外泄，在遇見明火時容易起火爆炸，造成安全威脅。
目前，隨著動力電池的發(fā)展，電動汽車技術(shù)的成熟和日益完善，市場對大容量動力電池的需求越來越大。傳統(tǒng)電池的封口方式為砸鋼球方法，鋼殼電池的封口方式為機械密封。隨著電池容量的增加，電池所要注入的電解液量越來越多，但是傳統(tǒng)砸鋼球的封口方式對注液孔的大小有限制，造成注液效率太低，而鋼殼電池的機械密封方式可靠性太低。因此，目前大容量的鋰離子動力電池多采用直徑大的注液孔封口方式，目前針對大容量鋰離子動力電池的封口方式主要是采用螺母固定的方法，這種方法的缺陷就是密封性差，容易造成電池漏液，嚴(yán)重影響到鋰離子動力電池的使用性能和安全性。
因此，鋰電自動化生產(chǎn)線可實現(xiàn)在超級凈化手套箱內(nèi)進(jìn)行全自動掃碼-注液-稱量-補液-封口操作，實現(xiàn)高效完全無人自動化生產(chǎn)，大大節(jié)省人力成本，極大提高產(chǎn)能和產(chǎn)品質(zhì)量及成品率，為客戶實現(xiàn)利益最大化。鋰電自動化生產(chǎn)線，可以保證對鋰離子動力電池的注液效率和注液孔的密封性，避免電池漏液，有效保證鋰離子動力電池的使用性能和安全性。
