鋰離子電池的爆炸機理
來源：寶鄂實業(yè)
2019-12-15 20:58
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鋰離子電池爆炸的因素很多 ,但其主要的原因是電池內(nèi)部的高溫 、高壓都與產(chǎn)熱因素有直接的關(guān)系。電池內(nèi)部的產(chǎn)熱因素眾多 ,如果鋰離子電池內(nèi)部的熱生成速率大于熱散失速率 ,則體系內(nèi)的反應(yīng)溫度就會不斷上升，其結(jié)果可能造成兩種極端情況 :
(1) 反應(yīng)物質(zhì)的溫度達到其著火溫度而發(fā)生火災(zāi) ;
(2) 由于鋰離子電池是一個封閉體系 ,隨體系內(nèi)部溫度升高 ,反應(yīng)速度加快 ,反應(yīng)物蒸氣壓急劇上升。同時活性物質(zhì)的分解活性物質(zhì)與電解液的反應(yīng)都會產(chǎn)生一定量的氣體 ,其結(jié)果 是在缺少安全閥保護或安全閥失效的情況下 ,電池內(nèi)壓便會急劇上升而引起電池爆炸 。
常見的爆炸類型有以下幾種:
2.1,熱沖擊爆炸
以LCO電池為例，將其放入165℃環(huán)境中保持45min發(fā)生爆炸，隔膜溶解（PE 的熔點是 125 °C,PP 的熔點是 155 °C）電壓迅速降至0V電池表面溫度升高到200℃以上，電池的爆炸是由于溶劑的分解 、LiCoO2 分解 、LiCoO2 與電解液的反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱與氣體造成的。
2.2，過充爆炸
鋰離子電池過充時的電壓-溫度模式有3種形式：
(1)當充電電壓超過4.5V,大量的鋰離子從正極溢出。若負極的嵌鋰能力很差，鋰離子便會沉積在負極表面形成枝晶使電池內(nèi)部短路，電池的安全性明顯降低；
(2)若負極的嵌鋰能力比較強，隨著鋰離子從正極溢出溶劑被氧化(遠遠大于正常情況下的反應(yīng)速度)，產(chǎn)生大量的熱使電池溫度升高，接著溶劑與負極的反應(yīng)同時發(fā)生放出更多的熱。若充電電流很低，電池的熱穩(wěn)定性好熱量生成速率與散熱速率達到平衡，電解液分解的產(chǎn)物增大電池的內(nèi)阻，或隔膜關(guān)閉，電壓先升高燃后保持恒定，熱量不會失控；
(3)若充電電流很大，電池的穩(wěn)定性還很差，電壓、溫度迅速升高，電池就會著火爆炸。
例如鋰離子電池充電到標準電量的 160%時 ,熱量急劇增加 ,可能是由于電解液的分解 、正極的分解反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱引起的 ,如果在電池內(nèi)部加入散熱裝置來平衡熱量的釋放 ,電池的爆炸將會避免。
2.3，短路爆炸
分為外部短路和內(nèi)部短路：正負極耳的直接接觸；裝配過程中出現(xiàn)的毛刺，隔膜皺褶以及粉塵均可引發(fā)內(nèi)部短路，短路也可能引起電池的爆炸。
電池短路時 , 電流通過電池的瞬間產(chǎn)生大量的熱 ,加熱電池 ,使電池溫度升高的熱分解溫度導致電池爆炸。與加熱最大的區(qū)別是加熱產(chǎn)熱速率比較緩慢 ,各個反應(yīng)依次進行 ,而短路狀態(tài)下 ,正極的熱分解反應(yīng)可能發(fā)生在負極與溶劑反應(yīng)之前。
2.4，其他情況
針刺：針刺造成的鋰離子電池爆炸原理與短路大致相同，針刺速度很快時針刺的部位產(chǎn)生大量的熱，使電池內(nèi)部溫度升高到正極熱分解的溫度，正極分解導致電池爆炸。
撞擊：當鋰離子電池受到撞擊時，電極上過電壓損失產(chǎn)生熱量，促使溶劑與負極的反應(yīng)，放出的熱量進一步加熱電池使正極熱分解，導致電池爆炸。
過放：鋰離子電池過放到1.0-2.0V時，部分電解液發(fā)生還原放出少量的熱。電壓達到0.7V后，金屬銅開始氧化井沉積在正極上，電池內(nèi)部短路，電壓迅速降為0V,鋰離子電池變?yōu)镃u負極Cu正極電池膽電池表面溫度升高不明顯而不會發(fā)生危險。
