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鋰離子電池什么樣的最安全?

鉅大鋰電  |  點(diǎn)擊量:0  |  2020年11月02日  

1動(dòng)力鋰離子電池的基本組成


以圓柱形電池為例,如上圖所示,鋰離子電池的重要結(jié)構(gòu)包括殼體,正極,負(fù)極,隔膜,電解液,安全閥等安全保護(hù)裝置以及一些導(dǎo)電密封輔助結(jié)構(gòu)。


殼體,是整只電芯的保護(hù)層,對(duì)電芯起到支撐、隔離和絕緣等保護(hù)性用途。軟包電池,沒有高強(qiáng)度的殼體,其在小規(guī)模成組以后,也要設(shè)計(jì)具備一定強(qiáng)度的殼。


直接參與電池電化學(xué)過程的是正極、負(fù)極和電解液,可以說它們是事故的源頭,也是真正解決安全問題的病根所在。


2正極、負(fù)極和電解液的安全性問題


鋰離子電池的安全事故,無論是電芯老化或者自身質(zhì)量問題帶來的自內(nèi)而外的過熱,進(jìn)而導(dǎo)致熱失控,還是由于交通事故或者其他類型的濫用造成的熱失控,事故發(fā)生總要經(jīng)歷電芯材料劇烈反應(yīng)的過程,假如能夠阻斷這個(gè)點(diǎn),則電池可以失效,但永遠(yuǎn)不會(huì)燃爆。


2.1電解液


電解液存在兩個(gè)方向的問題,自身容易燃燒,又具有與正負(fù)極材料發(fā)生反應(yīng)的傾向。


初中化學(xué)告訴我們,燃燒的三要素:可燃物(燃燒的物質(zhì)),助燃物(氧氣)和燃點(diǎn)(達(dá)到可燃物的燃燒溫度)。三個(gè)條件缺一不可,阻斷其中之一,燃燒便不會(huì)發(fā)生。電池自身安全性,電池材料不可燃是安全隱患的終結(jié)者。


目前常見的電解液都是有機(jī)溶劑質(zhì)地,是極易燃燒的材質(zhì)。而電解液與正極發(fā)生副反應(yīng)的產(chǎn)物,就包含氧氣。因此,電池一旦積聚了較多熱量,達(dá)到較高溫度,連鎖反應(yīng)都會(huì)給電解液燃燒供應(yīng)條件。


問題在于,電解液傳輸電荷的能力,對(duì)電池的電壓有直接的影響。當(dāng)前人們關(guān)于高電壓,高能量密度的追求,只有有機(jī)電解液才能滿足,因而暫時(shí)沒有找到更適合的材質(zhì)作為替代。


2.2正極材料


正極材料的安全性問題重要存在于兩個(gè)方面。一個(gè)是充電狀態(tài)下,材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,另一個(gè)是電池高溫下,正極材料與電解液的反應(yīng)腐蝕問題。


正極材料的穩(wěn)定性問題,重要出現(xiàn)在過大電流充電過程中,與材料不匹配的鋰離子脫出速率會(huì)沖垮材料晶格結(jié)構(gòu),毀壞的部分材料反過來堵住離子通路,新增了離子嵌入難度。這個(gè)過程中會(huì)有熱量積累,是引發(fā)鋰離子電池事故的一種常見原因。


正極被電解液腐蝕,放出少量氣體和熱量,這是電池使用過程中老化的一個(gè)重要原因。但正極與電解液的劇烈反應(yīng),一般出現(xiàn)在電池溫度已高的階段,一般超過200℃,是熱量爆發(fā)式生成的重要力量。反應(yīng)不但放出大量的熱,還會(huì)有氣體出現(xiàn),使得事故的危害可能升級(jí)。


2.3負(fù)極材料


負(fù)極材料的安全性,重要圍繞其熱穩(wěn)定性進(jìn)行觀察,其穩(wěn)定程度與下面三個(gè)因素有關(guān):電解液中電解質(zhì)的類型,石墨負(fù)極中嵌鋰碳含量的多少以及石墨負(fù)極使用的粘結(jié)劑的種類。


電解質(zhì)類型,石墨負(fù)極在首次充電化成中,形成保護(hù)膜SEI膜。SEI膜的存在,阻止了石墨與電解液的進(jìn)一步劇烈反應(yīng)。但電解液中的LiPF6對(duì)SEI膜的分解有促進(jìn)用途,使得鋰離子電池在大約60℃的儲(chǔ)存過程中,就可以出現(xiàn)分解并放熱。因此電解質(zhì)的成分對(duì)負(fù)極穩(wěn)定性有直接影響。


嵌鋰碳,有研究表明,負(fù)極中嵌鋰碳的含量高,會(huì)帶來負(fù)極與電解液更激烈的反應(yīng)。嵌鋰碳是在充電過程中形成,電池電量越高,其嵌鋰碳的含量也就越高。嵌鋰碳的影響,只能在電量高的階段加強(qiáng)其他安全措施,卻無法防止高濃度嵌鋰碳的現(xiàn)象出現(xiàn)。


負(fù)極粘結(jié)劑的種類,粘結(jié)劑在反應(yīng)中是否新增系統(tǒng)反應(yīng)放熱并沒有定論。不同類型的粘結(jié)劑,參與反應(yīng)的形式不同,有的成為嵌鋰碳反應(yīng)的助劑,有的自身參與反應(yīng)后失效,加速負(fù)極結(jié)構(gòu)走向崩潰。


以上三個(gè)方面的影響,發(fā)生的溫度由低到高,SEI膜的溶解,作為破壞式連鎖反應(yīng)的開端,阻止它發(fā)生意義重大。


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