１ 過充對(duì)鋰離子電池的影響

 

研究者對(duì)鋰離子電池內(nèi)部組成原理與熱反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了大量過充電的實(shí)驗(yàn)研究，王宏偉等研究了鋰離子動(dòng)力電池在不同溫度下過充過放的特征變化，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度越高，過充危險(xiǎn)性越大，電池達(dá)到的溫度就越高，達(dá)到最高溫度的時(shí)間就越短。段冀淵等研究了充電循環(huán)對(duì)電池過充情況的影響，發(fā)現(xiàn)循環(huán)次數(shù)越多，電池爆炸的時(shí)間節(jié)點(diǎn)越早，這是因?yàn)殡姵亟?jīng)過多次充放電后，不可逆的充放電過程會(huì)給電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成微小缺陷，這種缺陷在大倍率過充情況下會(huì)凸顯現(xiàn)出來，對(duì)電池的安全性能造成不利影響。

 

日常生活中，過充這種安全隱患屬極為常見的現(xiàn)象，在過充過程中，鋰電池的電壓會(huì)失去控制持續(xù)上升，處于貧鋰狀態(tài)的正極材料會(huì)分解放熱，當(dāng)正極電勢(shì)升至電解液氧化分解電勢(shì)時(shí)，電解液會(huì)在正極表面氧化分解，釋放出大量氣體和熱量。袁慶豐等對(duì)方形鋰離子電池的過充性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)起火前電池內(nèi)溫度比電池外溫度高出140℃，提出電池內(nèi)部熱量的迅速累積是正極材料和電解液反應(yīng)的結(jié)果，這一系列不可逆反應(yīng)都可能使電池內(nèi)壓和溫度急劇上升，導(dǎo)致電池鼓脹破裂，引起火災(zāi)和爆炸。

 

LIN Chi kai等利用原位高能Ｘ射線衍射技術(shù)，分析了以NCA為正極的18650型電池在過充情況下正極與負(fù)極的溫度，在過充情況下，正負(fù)極溫度的差異表明：脫鋰正極的電化學(xué)穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，使用更加穩(wěn)定的正極材料對(duì)提高電池的抗過充能力意義重大。鄭葳研究了立方體鋰電池在不同倍率條件下的過充情況，分析發(fā)現(xiàn)電池最高溫度出現(xiàn)在幾何中心，且正極柱的生熱率高于負(fù)極柱，兩個(gè)極柱的表面溫度明顯高于其他表面。

 

２ 短路對(duì)鋰離子的影響

 

鋰電池的電極材料、電解質(zhì)均是易燃物，極易出現(xiàn)損壞，導(dǎo)致電池內(nèi)短路，短路鋰電池中儲(chǔ)存的巨大能量就會(huì)快速以熱的形式釋放出來，這種快速放熱行為會(huì)造成電池內(nèi)部溫度劇烈升高，高溫下電解液易引燃，引發(fā)電池整體燃燒，如果附近有易燃物則會(huì)造成爆炸，威脅人們的安全和健康。

 

鋰枝晶

鋰電池在過度充電、充放電循環(huán)過程時(shí)，會(huì)造成負(fù)極表面的鋰沉積不均勻，容易形成枝晶，此時(shí)鋰枝晶生長(zhǎng)明顯，枝晶脫落或折斷時(shí)，產(chǎn)生“死鋰”，造成鋰的不可逆。當(dāng)尖銳枝晶穿透隔膜，使正負(fù)極發(fā)生短路并處于自放電狀態(tài)，伴隨大量熱量產(chǎn)生，使鋰電池著火甚至發(fā)生爆炸。

 

過度充電是鋰離子電池過熱的主要原因，極片上的針狀鋰金屬結(jié)晶會(huì)引發(fā)微短路，逐漸升高的電池溫度會(huì)將電解液氣化、電池組內(nèi)壓升高，使電池內(nèi)部發(fā)生激烈氧化反應(yīng)，引起電池燃燒。進(jìn)一步解釋的是過充引發(fā)的燃燒不一定發(fā)生在電池充電，可能發(fā)生在材料未燃燒、電池外殼未撐破，隨著電池內(nèi)部熱量的積聚到電池自然的溫度，就發(fā)生自燃甚至爆炸。在鋰電池過度放電時(shí)，會(huì)導(dǎo)致負(fù)極碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，當(dāng)再次充電使用時(shí)，極易出現(xiàn)內(nèi)部短路，引發(fā)火災(zāi)。

 

外界撞擊

鋰離子活性強(qiáng)且初爆溫度低，當(dāng)遭受高空墜落物撞擊時(shí)，或受到速度約為3.5m/s的物體自由落體撞擊時(shí)，在其內(nèi)部瞬間產(chǎn)生25J的能量，使電池的溫度升高120℃，熱量迅速積蓄到電池初爆溫度，引發(fā)熱失控及連鎖反應(yīng)式的爆炸，極易造成嚴(yán)重的人員傷亡。例如2012年5月26日凌晨，深圳一輛比亞迪E6動(dòng)車被豪華跑車從左后部劇烈撞擊后起火，造成車上3人死亡。 

 

隔膜缺陷

高飛等用AHP法計(jì)算出影響鋰離子電池火災(zāi)危險(xiǎn)的主要因素是隔膜，原因在于隔膜的熱釋放速率且產(chǎn)生的生煙性參數(shù)值（CO、CO2）含量相對(duì)較大，隔膜的不完全燃燒導(dǎo)致煙氣比較多，容易刺激人體皮膚及呼吸道，妨礙滅火救援工作展開。同時(shí)，鋰電池在切割過程中，極片寬的邊緣容易出現(xiàn)切割毛刺，這些毛刺一旦刺穿隔膜將發(fā)生電池內(nèi)部短路，通過涂覆無機(jī)/有機(jī)涂層能極大的改善隔膜性能，避免切割毛刺帶來的火災(zāi)（短路）安全隱患，極大的改善電池安全性和提高電池的性能。