鋰是自然界最輕的金屬，比重僅及水的1/2，所以鋰離子電池的質(zhì)量比很高。一般是鎘-鎳電池的2~3倍、氫-鎳電池的1~2倍。鋰原子/離子半徑較小，體積比氫-鎳電池小30%，它的體積比能量也很高。一般是鎘-鎳電池的2倍、氫-鎳電池的1.5倍。鋰又具有最低的電負(fù)性，標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-3.045V（以氫電極為參比而言）。所以，只要找到合適的正極材料，就可獲得較高的電動(dòng)勢(shì)，目前它的工作電壓為3~4伏，是鎘-鎳、氫-鎳電池的3倍。與大部分化學(xué)電源采用水溶液作電解液不同，鋰離子電池采用有機(jī)溶劑作電解液。因此，鋰離子電池往往具有寬廣的適用范圍，一般20℃~60℃，尤其適合低溫使用。而水溶液電池在接近0℃時(shí)，即因電解液凝固而完全報(bào)廢。鋰離子電池不含重金屬元素（比如：鉛酸電池中的Pb）和有毒元素（比如：鎘-鎳電池中的Ge），不會(huì)環(huán)境造成污染，因而被稱為綠色電池。鋰離子電池的放電電壓平坦，無記憶效應(yīng)，自放電小，循環(huán)壽命長(zhǎng)，也是它強(qiáng)有力的優(yōu)勢(shì)。

 

3 鋰電池的安全隱患

 

安全性能是鋰離子電池，特別是鋰離子動(dòng)力電池所關(guān)心的焦點(diǎn)問題。鋰離子電池與金屬鋰二次電池相比，在安全性能方面有了很大的提高，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在許多隱患。特別是用于電動(dòng)汽車（EV）和混合動(dòng)力汽車（HEV）的動(dòng)力鋰離子電池，其充放電電流大，散熱條件差，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高。研究證明：鋰離子電池在濫用的條件下有可能達(dá)到使鋁集流體熔化的高溫（＞700℃），從而導(dǎo)致電池出現(xiàn)冒煙、著火爆炸、乃至人員受傷等情況。因此，鋰離子電池安全性能方面的研究，對(duì)擴(kuò)大鋰離子電池的商品化程度，保證使用過程中人員的安全是非常重要的。本文從鋰離子電池材料和制作工藝兩個(gè)方面分析影響鋰離子電池安全性能的因素，并進(jìn)一步分析鋰離子電池組安全性的關(guān)鍵問題。

 

3.1 電池材料本身的安全性

 

電池材料對(duì)鋰離子電池安全性能的影響對(duì)鋰離子電池的安全保護(hù)通常采用專門的充電電路來控制充電過程，防止電池過充放，并在電池上設(shè)置安全閥和熱敏電阻這些方法都是在使用過程中通過外部手段來達(dá)到對(duì)電池的安全保護(hù)，防止濫用造成的安全問題，然而要從根本上解決鋰離子電池的安全問題，還要從電池材料本身的安全性能出發(fā)。

 

 3.2 材料對(duì)鋰離子動(dòng)力電池安全性的影響

 

一般而言，電池材料的熱穩(wěn)定性是鋰離子動(dòng)力電池安全性的重要因素。這主要與電池材料的熱活性有關(guān)。當(dāng)電池溫度升高時(shí)，電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生許多放熱反應(yīng)，如果產(chǎn)生的熱量超過了熱量的散失，就會(huì)發(fā)生熱溢潰。鋰離子電池材料之間主要放熱反應(yīng)有：SEI膜的分解；電解液分解；正極分解；負(fù)極與電解液的反應(yīng)；負(fù)極與粘合劑的反應(yīng)；此外，由于電池存在電阻，使用時(shí)也產(chǎn)生少量熱量。

 

3.2.1 正極材料

 

鋰離子電池正極材料一直是限制鋰離子電池發(fā)展的關(guān)鍵。和負(fù)極材料相比，正極材料能量密度和功率密度低，并且也是引發(fā)鋰離子電池安全隱患的主要原因。正負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)對(duì)鋰離子的嵌入和脫嵌有決定性影響，因而影響著電池的循環(huán)壽命。使用容易脫嵌的活性材料，充放電循環(huán)時(shí)，活性材料的結(jié)構(gòu)變化小且可逆，有利于延長(zhǎng)電池的壽命。在鋰離子電池濫用的條件下，隨著電池內(nèi)部溫度的升高，正極發(fā)生活性物質(zhì)的分解和電解液的氧化，這兩種反應(yīng)將產(chǎn)生大量的熱，從而導(dǎo)致電池溫度的進(jìn)一步上升，同時(shí)不同的脫鋰狀態(tài)對(duì)活性物質(zhì)晶格轉(zhuǎn)變、分解溫度和電池的熱穩(wěn)定性影響相差很大。尋找熱穩(wěn)定性較好的正極材料是鋰離子動(dòng)力電池的關(guān)鍵。層狀LiCoO2、LiNiO2、尖晶石LiMn2O4和橄欖石LiFePO4是目前研究較多的正極材料。LiCoO2熱穩(wěn)定性適中，電化學(xué)性能優(yōu)異，但由于鈷資源的限制，LiCoO2在鋰離子動(dòng)力電池方面的應(yīng)用受到限制；LiNiO2雖然容量較高，但合成困難、循環(huán)性能較差，也不適合作為鋰離子動(dòng)力電池的正極材料；LiMn2O4熱穩(wěn)定性好、資源豐富、價(jià)格低廉，適合作為鋰離子動(dòng)力電池的正極材料；LiFePO4由于合成原料資源豐富，成本低，對(duì)環(huán)境無污染，又有較高的比容量、有效利用率、適宜的電壓及較好的循環(huán)性能，是一種有應(yīng)用前景的鋰離子正極材料之一。

 

3.2.2 負(fù)極材料

 

早期使用的負(fù)極材料是金屬鋰，而以金屬鋰為負(fù)極組裝的電池在多次充放電過程中易產(chǎn)生鋰枝晶，鋰枝晶會(huì)刺破隔膜，導(dǎo)致電池短路、漏液甚至發(fā)生爆炸。使用嵌鋰化合物避免了鋰枝晶的產(chǎn)生，從而大大提高了鋰離子電池的安全性。目前在鋰離子二次電池中較具使用價(jià)值和應(yīng)用前景的碳主要有三種：一是高度石墨化得碳，二是軟碳和硬碳，三是碳納米材料。

 

當(dāng)前鋰離子電池所用的負(fù)極材料大部分采用石墨，而石墨的理論適量比容量只有372mAh/g，體積比容量也只有800mAh/cm3。盡管目前研制出的醫(yī)學(xué)熱解碳具有700mAh/g的比容量，但是它的體積比容量還是非常有限。由于大功率的需要，高能量密度的金屬和金屬化合物妒忌材料引起了廣泛關(guān)注，研究主要向微小顆粒(納米級(jí))、單相向多相、摻雜非活性材料等方面發(fā)展。金屬和合金類負(fù)極在循環(huán)過程中，體積會(huì)發(fā)生很大的變化，循環(huán)壽命短。為延長(zhǎng)壽命，采用金屬學(xué)上的近似法開發(fā)控制合金材料的組成和微觀組織(納米級(jí))及表面處理技術(shù)。