防止鋰離子電池爆炸有哪些措施？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-11-01 17:16
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鋰離子電池安全性問題是個(gè)復(fù)雜的綜合性問題。電池安全性最大的隱患是電池隨機(jī)發(fā)生的內(nèi)短路，產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)失效，引發(fā)熱失控。所以開發(fā)和使用熱穩(wěn)定性高的材料是將來改善鋰離子電池安全性能的根本途徑和努力的方向。
提高電池材料的熱穩(wěn)定性
正極材料可以通過優(yōu)化合成條件 ,改進(jìn)合成方法 ,合成熱穩(wěn)定性好的材料 ;或使用復(fù)合技術(shù)(如摻雜技術(shù))、表面包覆技術(shù)(如涂層技術(shù))來改善正極材料的熱穩(wěn)定性。
負(fù)極材料的熱穩(wěn)定性與負(fù)極材料的種類、材料顆粒的大小以及負(fù)極所形成的SEI膜的穩(wěn)定性有關(guān)。如將大小顆粒按一定配比制成負(fù)極即可達(dá)到擴(kuò)大顆粒之間接觸面積,降低電極阻抗,增加電極容量,減小活性金屬鋰析出可能性的目的。
SEI 膜形成的質(zhì)量直接影響鋰離子電池的充放電性能與安全性,將碳材料表面弱氧化,或經(jīng)還原，摻雜，表面改性的碳材料以及使用球形或纖維狀的碳材料有助于SEI膜質(zhì)量的提高。
電解液的穩(wěn)定性與鋰鹽、溶劑的種類有關(guān)。采用熱穩(wěn)定性好的鋰鹽,電位穩(wěn)定窗口寬的溶劑可以提高電池的熱穩(wěn)定性。在電解液中添加一些高沸點(diǎn)、高閃點(diǎn)和不易燃的溶劑可以改善電池的安全性。
導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑的種類與數(shù)量也影響著電池的熱穩(wěn)定性，粘結(jié)劑與鋰在高溫下反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱 ,不同粘結(jié)劑發(fā)熱量不同 , PVDF 的發(fā)熱量幾乎是無氟粘結(jié)劑的2倍 ,用無氟粘結(jié)劑代替PVDF可以提高電池的熱穩(wěn)定性。
提高電池過充保護(hù)能力
為防止鋰離子電池過充 ,通常采用專用的充電電路來控制電池的充放電過程 ,或者在單個(gè)電池上安裝安全閥以提供更大程度的過充保護(hù) ; 其次也可采用正溫度系數(shù)電阻器(PTC),其作用機(jī)理為當(dāng)電池因過充而升溫時(shí) ,增大電池的內(nèi)阻 ,從而限制過充電流 ;還可采用專用的隔膜 ,當(dāng)電池發(fā)生異常引起隔膜溫度過高時(shí) ,隔膜孔隙收縮閉塞 ,阻止鋰離子的遷移 ,防止電池的過充。
防止電池的短路
對(duì)于隔膜而言而言,孔率為40%左右,且分布均勻，孔徑為10nm的隔膜能阻止正負(fù)極小顆粒運(yùn)動(dòng),從而提高鋰離子電池的安全性;
隔膜的絕緣電壓與其防止正負(fù)極的接觸有著直接的關(guān)系 ,隔膜的絕緣電壓依賴于隔膜的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及電池的裝配條件。
采用熱閉合溫度和熔融溫度差值比較大的復(fù)合隔膜 (如PP/PE/PP)可防止電池?zé)崾Э?。將隔膜表面涂覆陶瓷層提高隔膜耐溫性。利用低熔點(diǎn)的PE(125℃) 在溫度較低的條件下起到閉孔作用, PP(155℃) 又能保持隔膜的形狀和機(jī)械強(qiáng)度 ,防止正負(fù)極接觸 ,保證電池的安全性。
大家都知道以石墨負(fù)極替代金屬鋰負(fù)極,從而使充放電過程中鋰在負(fù)極表面的沉積和溶解變?yōu)殇囋谔碱w粒中的嵌入和脫出,防止了鋰枝晶的形成。但這并不代表鋰離子電池的安全性已經(jīng)解決,在鋰離子電池充電過程 ,如果正極容量過多,就會(huì)出現(xiàn)金屬鋰在負(fù)極表面沉積,負(fù)極容量過多,電池容量損失較嚴(yán)重。
涂布厚度及其均一性也影響鋰離子在活性物質(zhì)中的嵌入和脫出。例如負(fù)極面密度較厚不均一, 因此充電過程中各處極化大小不同, 就有可能發(fā)生金屬鋰在負(fù)極表面局部沉積。
此外,使用條件不當(dāng)也會(huì)引起電池的短路,低溫條件下,由于鋰離子的沉積速度大于嵌入速度 ,從而導(dǎo)致金屬鋰沉積在電極表面引起短路。因此,控制好正負(fù)極材料的比例,增強(qiáng)涂布的均勻性等是防止鋰枝晶形成的關(guān)鍵。
此外,粘結(jié)劑的晶化、銅枝晶的形成也會(huì)造成電池內(nèi)部短路。在涂布工藝中 ,通過涂布烘烤加熱將漿料中溶劑全部除去,若加熱溫度過高,則粘結(jié)劑也有可能發(fā)生晶化,會(huì)使活性物質(zhì)剝落,使電池內(nèi)部短路。
在過放條件下,當(dāng)電池過放至1-2V時(shí),作為負(fù)極集電體的銅箔將開始溶解,并于正極上析出,小于1V時(shí)正極表面則開始出現(xiàn)銅枝晶, 使鋰離子電池內(nèi)部短路。
