鋰電池什么樣的最安全？
來源：寶鄂實業(yè)
2020-01-31 13:09
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1 動力鋰電池的基本組成
以圓柱形電池為例，如上圖所示，鋰電池的主要結構包括殼體，正極，負極，隔膜，電解液，安全閥等安全保護裝置以及一些導電密封輔助結構。
殼體，是整只電芯的保護層，對電芯起到支撐、隔離和絕緣等保護性作用。軟包電池，沒有高強度的殼體，其在小規(guī)模成組以后，也要設計具備一定強度的殼。
直接參與電池電化學過程的是正極、負極和電解液，可以說它們是事故的源頭，也是真正解決安全問題的病根所在。
2 正極、負極和電解液的安全性問題
鋰電池的安全事故，無論是電芯老化或者自身質量問題帶來的自內而外的過熱，進而導致熱失控，還是由于交通事故或者其他類型的濫用造成的熱失控，事故發(fā)生總要經歷電芯材料劇烈反應的過程，如果能夠阻斷這個點，則電池可以失效，但永遠不會燃爆。
2.1 電解液
電解液存在兩個方向的問題，自身容易燃燒，又具有與正負極材料發(fā)生反應的傾向。
初中化學告訴我們，燃燒的三要素：可燃物（燃燒的物質），助燃物（氧氣）和燃點（達到可燃物的燃燒溫度）。三個條件缺一不可，阻斷其中之一，燃燒便不會發(fā)生。電池自身安全性，電池材料不可燃是安全隱患的終結者。
目前常見的電解液都是有機溶劑質地，是極易燃燒的材質。而電解液與正極發(fā)生副反應的產物，就包含氧氣。因此，電池一旦積聚了較多熱量，達到較高溫度，連鎖反應都會給電解液燃燒提供條件。
問題在于，電解液傳輸電荷的能力，對電池的電壓有直接的影響。當前人們對于高電壓，高能量密度的追求，只有有機電解液才能滿足，因而暫時沒有找到更適合的材質作為替代。
2.2 正極材料
正極材料的安全性問題主要存在于兩個方面。一個是充電狀態(tài)下，材料結構的穩(wěn)定性，另一個是電池高溫下，正極材料與電解液的反應腐蝕問題。
正極材料的穩(wěn)定性問題，主要出現(xiàn)在過大電流充電過程中，與材料不匹配的鋰離子脫出速率會沖垮材料晶格結構，毀壞的部分材料反過來堵住離子通路，增加了離子嵌入難度。這個過程中會有熱量積累，是引發(fā)鋰電池事故的一種常見原因。
正極被電解液腐蝕，放出少量氣體和熱量，這是電池使用過程中老化的一個重要原因。但正極與電解液的劇烈反應，一般出現(xiàn)在電池溫度已高的階段，一般超過200℃，是熱量爆發(fā)式生成的重要力量。反應不但放出大量的熱，還會有氣體產生，使得事故的危害可能升級。
2.3 負極材料
負極材料的安全性，主要圍繞其熱穩(wěn)定性進行觀察，其穩(wěn)定程度與下面三個因素有關：電解液中電解質的類型，石墨負極中嵌鋰碳含量的多少以及石墨負極使用的粘結劑的種類。
電解質類型，石墨負極在首次充電化成中，形成保護膜SEI膜。SEI膜的存在，阻止了石墨與電解液的進一步劇烈反應。但電解液中的LiPF6對SEI膜的分解有促進作用，使得鋰電池在大約60℃的儲存過程中，就可以出現(xiàn)分解并放熱。因此電解質的成分對負極穩(wěn)定性有直接影響。
嵌鋰碳，有研究表明，負極中嵌鋰碳的含量高，會帶來負極與電解液更激烈的反應。嵌鋰碳是在充電過程中形成，電池電量越高，其嵌鋰碳的含量也就越高。嵌鋰碳的影響，只能在電量高的階段加強其他安全措施，卻無法避免高濃度嵌鋰碳的現(xiàn)象出現(xiàn)。
負極粘結劑的種類，粘結劑在反應中是否增加系統(tǒng)反應放熱并沒有定論。不同類型的粘結劑，參與反應的形式不同，有的成為嵌鋰碳反應的助劑，有的自身參與反應后失效，加速負極結構走向崩潰。
以上三個方面的影響，發(fā)生的溫度由低到高，SEI膜的溶解，作為破壞式連鎖反應的開端，阻止它發(fā)生意義重大。
