安全技術(shù)

 

 

 

雖然鋰離子電池具有諸多危險(xiǎn)隱患，但是在特定的使用條件下，以及采用一定的措施是可以有效地控制電芯內(nèi)副反應(yīng)和劇烈反應(yīng)的發(fā)生，保證其使用安全的。下面就簡(jiǎn)單介紹幾種鋰離子電池常用的安全技術(shù)。

 

 

 

1 選用安全系數(shù)更高的原材料

 

選用安全系數(shù)更高的正負(fù)極活性材料、隔膜材料和電解液。

 

 

 

a）正極材料的選擇

 

正極材料的安全性主要基于以下3個(gè)方面：

 

 

 

1 材料的熱力學(xué)穩(wěn)定性；

 

2 材料的化學(xué)穩(wěn)定性；

 

3 材料的物理性能。

 

 

 

b）隔膜材料的選擇

 

隔膜的主要作用是將電池的正、負(fù)極分隔開(kāi)，防止正負(fù)極接觸而短路，同時(shí)具有使電解質(zhì)離子通過(guò)的能力，即具有電子絕緣性和離子導(dǎo)通性。鋰離子電池選用隔膜時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

 

 

 

1 具有電子絕緣性，保證正負(fù)極的機(jī)械隔離；

 

2 有一定的孔徑和孔隙率，保證低的電阻和高的離子電導(dǎo)率；

 

3 隔膜材料具有足夠的化學(xué)穩(wěn)定性，必須耐電解液腐蝕；

 

4 隔膜要有自動(dòng)關(guān)斷保護(hù)的功能 ；

 

5 隔膜的熱收縮率和變形性要盡可能地小；

 

6 隔膜要具有一定的厚度；

 

7 隔膜要具有較強(qiáng)的物理強(qiáng)度并有足夠大的抗穿刺的能力。

 

 

 

c）電解液的選擇

 

電解液是鋰離子電池的重要組成部分，在電池正負(fù)極之間起著輸送和傳導(dǎo)電流的作用。鋰離子電池使用電解液是以適當(dāng)?shù)匿圎}溶解在有機(jī)非質(zhì)子混合溶劑中而形成的電解質(zhì)溶液。它通常應(yīng)滿足以下幾方面的要求：

 

 

 

1 化學(xué)穩(wěn)定性好， 與電極活性物質(zhì)、集流體和隔膜不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；

 

2 電化學(xué)穩(wěn)定性好，具有較寬的電化學(xué)窗口；

 

3 鋰離子電導(dǎo)率高，電子電導(dǎo)率低；

 

4 液態(tài)溫度范圍寬；

 

5 安全無(wú)毒，對(duì)環(huán)境友好。

 

 

 

2 加強(qiáng)電芯整體安全性設(shè)計(jì)

 

電芯是將電池各種物質(zhì)組合起來(lái)的紐帶，是正極、負(fù)極、隔膜、極耳和包裝膜等系統(tǒng)之集成，電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不單影響到各種材料性能的發(fā)揮，還對(duì)電池的整體電化學(xué)性能、安全性能產(chǎn)生重要的影響。材料的選擇與電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正是一種局部與整體的關(guān)系，在電芯設(shè)計(jì)上，應(yīng)該結(jié)合材料特性來(lái)制定合理的結(jié)構(gòu)模式。

 

 

 

另外，在鋰電池結(jié)構(gòu)上還可以考慮一些額外的保護(hù)裝置，常見(jiàn)的保護(hù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有以下幾種：

 

 

 

1 采用開(kāi)關(guān)元件，當(dāng)電池內(nèi)的溫度上升時(shí)，它的阻值隨之上升，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)自動(dòng)停止供電；

 

 

 

2 設(shè)置安全閥（就是電池頂部的放氣孔），電池內(nèi)部壓力上升到一定的數(shù)值時(shí)，安全閥自動(dòng)打開(kāi)，保證電池的使用安全性。

 

 

 

下面對(duì)電芯結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)提出一些實(shí)例：

 

 

 

a） 正負(fù)極容量比和設(shè)計(jì)大小片

 

 

 

根據(jù)正負(fù)極材料的特性來(lái)選擇合適的正負(fù)極容量比，電芯的正負(fù)極容量的配比是關(guān)系到鋰離子電池安全性的重要環(huán)節(jié)，正極容量過(guò)大將會(huì)出現(xiàn)金屬鋰在負(fù)極表面沉積， 而負(fù)極過(guò)大電池的容量會(huì)有較大的損失。一般而言，N/P=1.05～1.15，并根據(jù)實(shí)際的電池容量和安全性要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇。設(shè)計(jì)大小片，使負(fù)極膏體（活性物質(zhì)） 位置包住（大于）正極膏體位置，一般寬度應(yīng)大1～5 mm，長(zhǎng)度應(yīng)大5～10 mm。

 

 

 

b） 隔膜寬度留有余量

 

 

 

隔膜寬度設(shè)計(jì)的總體原則是防止正負(fù)極片直接接觸而發(fā)生內(nèi)部短路，由于電池在充放電過(guò)程中和熱沖擊等環(huán)境下，隔膜的熱收縮性導(dǎo)致隔膜在長(zhǎng)度和寬度方向上發(fā)生變形，隔膜褶皺的區(qū)域由于正負(fù)極間的距離增大，致使極化增大；隔膜拉伸的區(qū)域由于隔膜變薄而使微短路的可能性加大；隔膜邊緣區(qū)域的收縮則可能導(dǎo)致正負(fù)極直接接觸而發(fā)生內(nèi)短路，這些都會(huì)使電池因熱失控而發(fā)生危險(xiǎn)。因此，在設(shè)計(jì)電池時(shí)，在隔膜的面積和寬度的使用上必須考慮其收縮特性，隔離膜要比陽(yáng)極、陰極大?？紤]在工藝誤差外，隔離膜必須比極片外邊長(zhǎng)至少0.1mm。

 

 

 

c） 絕緣處理 

 

 

 

內(nèi)短路是鋰離子電池存在安全性隱患的重要因素，在電芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在很多引發(fā)內(nèi)短路的潛 在危險(xiǎn)部位，因此應(yīng)該在這些關(guān)鍵位置設(shè)置必要的措施或者絕緣，以防止在異常情況下發(fā)生電池內(nèi)短路，比如：正負(fù)極耳間保持必要的間距；收尾單面中間無(wú)膏體位需貼絕緣膠帶，并將裸露部分全部包住；正極鋁箔和負(fù)極活性物質(zhì)之間貼絕緣膠帶；應(yīng)用絕緣膠帶將極耳焊接部分全部包?。浑娦卷敳坎捎媒^緣膠帶等。

 

 

 

d） 設(shè)置安全閥 （泄壓裝置）

 

 

 

鋰離子電池發(fā)生危險(xiǎn)，常常是因?yàn)閮?nèi)部溫度過(guò)高或壓力過(guò)大而引發(fā)爆炸、起火；設(shè)置合理的泄壓裝置，能在危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)迅速釋放電池內(nèi)部的壓力和熱量，減少爆炸危險(xiǎn)。合理的泄壓裝置要求既能滿足電池正常工作時(shí)的內(nèi)壓又能在內(nèi)壓達(dá)到危險(xiǎn)極限的時(shí)候自動(dòng)打開(kāi)而泄放壓力，泄壓裝置的設(shè)置位置 需要考慮電池外殼因內(nèi)壓增大所產(chǎn)生形變的特性來(lái)設(shè)計(jì)；安全閥的設(shè)計(jì)可以通過(guò)薄片、邊緣、接縫和刻痕等來(lái)實(shí)現(xiàn)。

 

 

 

3 提高工藝水平

 

努力做好電芯生產(chǎn)過(guò)程中的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。在混料、涂布、烘烤、壓實(shí)、分切和卷繞等步驟中，制定標(biāo)準(zhǔn)化（如隔膜寬度、電解液注液量等），改進(jìn)工藝手段（如低氣壓注液法、離心裝殼法等），做好工藝控制，保證工藝質(zhì)量，縮小產(chǎn)品間的差異；在對(duì)安全有影響到關(guān)鍵步驟設(shè)置特殊工步（如去極片毛刺、掃粉、對(duì)不同的材料采用不同的焊接方法等），實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量監(jiān)控，消除缺陷部位，排除有缺陷產(chǎn)品（如極片變形、隔膜刺破、活性材料脫落和電解液泄漏等）；保持生產(chǎn)場(chǎng)所的整潔、清潔， 實(shí)施5S管理和6-sigma質(zhì)量控制，防止生產(chǎn)中混入雜質(zhì)和水分，盡量減少生產(chǎn)中的意外情況對(duì)安全性的影響。