關(guān)于鋰電池的安全性詳解
來源：寶鄂實業(yè)
2019-08-01 09:37
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一、電池材料
鋰電池的主要材料有正負極活物質(zhì)、電解液、隔膜四種材料，影響材料的安全性的因素主要是其本征軌道能量、晶體結(jié)構(gòu)和材料的性狀。
1.正極材料
正極活性材料在電池中的主要作用是貢獻比容量和比能量，其本征電極電勢對安全性有一定的影響。在多種體系中，磷酸鐵鋰算是比較安全的電池材料，而三元正極材料雖然在能量密度上表現(xiàn)優(yōu)異，但是安全性上仍存在問題。
經(jīng)過正極材料的熱行為進行研究，發(fā)現(xiàn)本征電極電勢和晶體結(jié)構(gòu)是影響其安全性的主要因素。例如正極材料的電位μC和電解液的最高分子占據(jù)軌道HOMO是否完美匹配直接影響了電解液的穩(wěn)定性；
通過對材料種類進行選擇和元素摻雜，選擇電位和電解液電化學(xué)窗口匹配的、起始反應(yīng)溫度較高的、反應(yīng)放熱較少的材料可以從正極活性材料的角度提高電芯的安全性能。
2.負極材料
負極活性材料對安全性能的影響主要來自于其本征軌道能量和電解質(zhì)LUMO 的配置關(guān)系。在快充的過程中，鋰離子通過SEI（固態(tài)電解質(zhì)界面）膜的速度可能比鋰在負極的沉積速度慢，鋰的枝晶會隨著充放電循環(huán)而不斷生長，可能導(dǎo)致內(nèi)短路而引燃可燃性的電解質(zhì)發(fā)生熱失控，這一特性限制了負極在快充過程中的安全性。
除了鋰枝晶的生長，負極材料和電解液的反應(yīng)也是影響安全性能的重要因素。在100 ℃附近，可以觀察到嵌鋰石墨和電解液的放熱峰，這也被認為是SEI 膜的分解反應(yīng)。反應(yīng)速率隨著負極材料比表面積增大而增加。在SEI 膜分解之后，嵌入負極的鋰還會繼續(xù)和電解液以及黏結(jié)劑反應(yīng)放出熱量，反應(yīng)熱隨著嵌鋰量的增加而增大。采用改善SEI 的熱穩(wěn)定性，以及減小負極材料的比表面積 、減少鋰的嵌入量等方法，也可以從負極材料的角度提高電芯的性能。
鈦酸鋰電池具有很好的快充快放能力，與碳負極材料相比，鈦酸鋰材料由于高電位而難以形成SEI膜，避免了電池過熱導(dǎo)致起火。即使在正常電壓范圍內(nèi)，鈦酸鋰表面也難以生成鋰枝晶，這在很大程度上避免了在電池內(nèi)部造成短路的可能。但是目前鈦酸鋰電池目前仍存在比能量低、產(chǎn)氣問題嚴重等問題，限制了其大范圍使用。
3.電解液
鋰鹽的熱穩(wěn)定性雖然是影響電解液熱穩(wěn)定性的根本因素，但因為其本身的分解反應(yīng)熱較小，對電池安全性能的影響有限。目前廣泛使用的商用電解質(zhì)的可燃性和液體狀態(tài)是影響安全性的重要因素。另一方面解決負極與碳酸鹽電解質(zhì)接觸及正極與水性電解液接觸時產(chǎn)生的熱穩(wěn)定性問題。在電解液中添加阻燃添加劑、成膜添加劑等可以有效提高鋰電池的安全性。
4.隔膜
隔膜的機械強度（抗拉伸和穿刺強度）、孔隙率、厚度均一性和遮斷/破裂溫度是決定其安全性的重要因素。陶瓷涂層在隔膜中的應(yīng)用可以增加原膜的機械強度，使隔膜在耐高溫、防穿刺、降低厚度方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能。同時，為保證電芯的安全性，一般隔膜孔隙率應(yīng)低于50%，厚度在20μm 以上。微孔結(jié)構(gòu)關(guān)閉的溫度過高或過低都會影響電芯的性能，因此需要綜合考慮隔膜聚合物的組成成分和多孔結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化配置，同時應(yīng)滿足破裂溫度需高于遮斷溫度。
二、電池制造環(huán)節(jié)
鋰離子電池的制造工藝包括正負極漿料制備、涂布、輥壓、裁片、卷繞或疊層、焊接、注液、封口、化成、排氣、分容等步驟。其中每一道工序都有可能導(dǎo)致電池內(nèi)阻升高或短路而形成安全性問題。例如漿料攪拌不均勻會導(dǎo)致涂布涂層厚度不一致影響電池安全性；涂布雙側(cè)留白不一致可能導(dǎo)致卷繞后負極無法包住正極引起短路；料塵、隔膜紙?zhí)』蛭磯|好、隔膜有洞、毛刺未清理干凈等均會形成安全隱患。
三、鋰電池的濫用
鋰電池的濫用是引發(fā)安全事故的重要原因，常見錯誤使用方式包括：過充過放、高溫低溫、碰撞擠壓墜落等等。例如，過充會造成正極活性材料晶體塌陷，鋰離子脫嵌通道受阻，使內(nèi)阻急劇升高，產(chǎn)生大量焦耳熱，同時使負極活性材料嵌鋰能力降低而產(chǎn)生鋰枝晶造成短路。環(huán)境溫度過熱會導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部一系列鏈式化學(xué)反應(yīng)，包括隔膜的熔解、正/負極活性材料與電解質(zhì)的反應(yīng)、正極/SEI 膜/溶劑分解、嵌鋰負極與黏結(jié)劑的反應(yīng)等。針刺/擠壓都是在局部造成內(nèi)短路，在短路區(qū)聚集大量熱而造成熱。
以上是造成鋰電池失效、起火甚至爆炸的主要原因，未能一一列舉。我們需要對鋰電池的安全設(shè)計進行深度研究分析、需要對電池管理系統(tǒng)（BMS）不斷進行優(yōu)化才能逐漸降低鋰電池的安全事故概率。
電池管理系統(tǒng)（BatteryManagement System）是用來管理電池及其一致性的，使其在不同條件下（溫度、海拔高度、最大倍率、電荷狀態(tài)、循環(huán)壽命等）獲得最大的能量儲存、往返效率和安全性。其主要由數(shù)據(jù)采集器，通訊單元和電池狀態(tài)（SOC、SOH、SOP等）評估模型等部分組成。隨著動力電池的發(fā)展，對BMS 的管理能力要求也更多更嚴苛。通過增加一些安全性模塊，比如熱量管理、高壓監(jiān)控等模塊，可望改善動力電池在使用過程中的安全可靠性。
