液態(tài)鋰電池的安全隱患主要來(lái)自哪些因素？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-06-22 18:40
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溶劑具有易揮發(fā)、低閃點(diǎn)的特點(diǎn)，導(dǎo)致電解液的易燃性。液態(tài)鋰離子電池采用的基本都是碳酸酯溶劑，主流溶劑有碳酸二甲酯(DMC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)等，基本都有揮發(fā)性強(qiáng)、閃點(diǎn)低的特點(diǎn)。在較高溫度下易燃易爆，有一定毒性(碳酸酯溶劑有一定的致癌性)，同時(shí)液體狀態(tài)在暴力沖擊下容易漏液。電解液溶劑的性質(zhì)，決定了一般常規(guī)鋰電池長(zhǎng)時(shí)間工作溫度需要低于55°C-60°C，即使是采用特殊配方的高溫電解液，使用溫度一般也不超過(guò)65°C。
負(fù)極表面容易形成枝晶，刺穿隔膜，造成正負(fù)極短路，導(dǎo)致電池起 火。液態(tài)鋰離子電池普遍采用石墨作為負(fù)極，當(dāng)負(fù)極表面不均勻時(shí)，在多次充放電循環(huán)過(guò)程中容易導(dǎo)致多余的鋰在負(fù)極表面富集堆積，形成樹(shù)枝狀的鋰枝晶。鋰枝晶生長(zhǎng)到一定的程度，可能刺穿具有微孔結(jié)構(gòu)的隔膜，連接到正極極片，造成正負(fù)極短路。另一方面，新暴露在電解液中的鋰枝晶會(huì)不斷被電解液腐蝕，消耗電解液，降低電池循環(huán)壽命和容量。
液態(tài)鋰電池在3C、動(dòng)力電池等領(lǐng)域頻繁發(fā)生起 火爆 炸等安全事故。由于液態(tài)鋰電池具備以上因素帶來(lái)的安全隱患，小到手機(jī)、筆記本電腦等3C電池，大到動(dòng)力電池，均出現(xiàn)過(guò)起 火爆 炸等安全事故。主要引起安全事故的原因有過(guò)充、不恰當(dāng)使用等導(dǎo)致電池溫度過(guò)高，受到外部猛烈的碰撞、擠壓導(dǎo)致電解液外溢，電池內(nèi)部短路導(dǎo)致起 火，電池脹氣、電解液外溢等。
固態(tài)鋰電池可從根本上解決液態(tài)的安全隱患。全固態(tài)鋰電池采用固體電解質(zhì)，固體電解質(zhì)一般由有機(jī)、無(wú)機(jī)化合物合成，熔點(diǎn)、沸點(diǎn)均較高，大部分材料不可燃，不含有任何低閃點(diǎn)、易燃易爆的有機(jī)溶劑，解決了電解液的易燃性。
同時(shí)，固體電解質(zhì)薄膜致密無(wú)孔，機(jī)械強(qiáng)度較高，有效抑制負(fù)極鋰枝晶刺穿造成短路的問(wèn)題。在熱穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性方面也比電解液更好，能夠承受住實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)的極端情況，比如碰撞、擠壓等，極大的提升了鋰電池的安全性能。
能量密度高:可采用金屬鋰做負(fù)極，有望提升40%-50%能量密度
金屬鋰比容量高，接近石墨負(fù)極的10倍。鋰金屬具備極高的容量，理論值達(dá)到3860mAh/g;石墨的理論容量只有372mAh/g，目前能實(shí)現(xiàn)的可逆容量有365mAh/g，高容量的硅基負(fù)極材料容量能達(dá)到1000-1500mAh/g，但在脫嵌過(guò)程中會(huì)發(fā)生較大的體積膨脹和收縮，實(shí)際中很難有效發(fā)揮出來(lái)，僅能達(dá)到420-450mAh/g。金屬鋰即使只發(fā)揮出50%的有效容量，也遠(yuǎn)高于石墨和硅基負(fù)極。雖然真正決定電池容量的材料是正極，但負(fù)極容量越高，越可以有效減少單位Wh負(fù)極材料的使用量，提升體積和質(zhì)量能量密度。
金屬鋰負(fù)極不適用于液態(tài)鋰電池。金屬鋰本身可以充當(dāng)“鋰源”，是非常理想的負(fù)極材料。最早在20世紀(jì)60至70年代，學(xué)術(shù)界便開(kāi)始研究金屬鋰做負(fù)極的鋰電池。但由于采用電解液，存在較大問(wèn)題難以解決，即循環(huán)過(guò)程中會(huì)形成鋰枝晶，刺穿隔膜導(dǎo)致短路，同時(shí)鋰枝晶與電解液反應(yīng)，循環(huán)壽命衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致學(xué)術(shù)界轉(zhuǎn)而研究比容量更低的碳作為嵌鋰的負(fù)極材料。
固態(tài)鋰電池可以使用金屬鋰作負(fù)極，相同正極體系下能量密度有望提升50%以上。在使用固體電解質(zhì)的同時(shí)，可以采用目前的正負(fù)極材料體系，由于固體電解質(zhì)較高的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，以及致密的薄膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可以直接采用金屬鋰做負(fù)極，有效防止電解液對(duì)金屬鋰的腐蝕，鋰枝晶刺穿隔膜導(dǎo)致短路的問(wèn)題，有望在當(dāng)前正極材料體系下，進(jìn)一步提升電芯能量密度。
固態(tài)鋰電池提升電池PACK能量密度，降低電池成本。傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池由于內(nèi)部含有流動(dòng)的電解液，在電芯生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，需要將多個(gè)正極/隔膜/負(fù)極片并聯(lián)后，注入電解液，封裝，焊接集流體接頭。下一步電池PACK生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，再將已封裝好的多個(gè)電芯串聯(lián)，同時(shí)由于高溫下易燃易爆的電解液存在，需要額外添加冷卻系統(tǒng)。
全固態(tài)鋰電池制備過(guò)程中，由于不存在流動(dòng)的電解液，電芯生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，可以多層正極/固體電解質(zhì)/負(fù)極材料致密堆積，串聯(lián)疊加之后再封裝焊接，節(jié)省電池內(nèi)部空間，提高單體電芯的電壓和能量密度。在電池PACK生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，將單體電芯外部并聯(lián)。由于固體電解質(zhì)熱穩(wěn)定性較高，甚至在高溫下電導(dǎo)率更優(yōu)異，因此不需要額外添加冷卻系統(tǒng)，在能量密度和成本上都具備一定的優(yōu)勢(shì)。
