最近電動車燒的有點猛,各個院士、專家、學(xué)者們也紛紛開始對安全性進(jìn)行了專門的探討,也得出了一些方向性的建議和指導(dǎo)。本系列將從動力電池的設(shè)計、制造、測試等過程一一分析影響電池安全的各個因素,希望能起到拋轉(zhuǎn)引玉的一個目的,畢竟,電動汽車的安全性是一個系統(tǒng)的工程,并不能一蹴而就。本文將從動力電池的原材料開始,對動力電池的安全性進(jìn)行一一的分析,希望能引起大家的共鳴。

1、正極材料

雜質(zhì)含量:雜質(zhì)含量包含金屬和非金屬,雜質(zhì)越多,自放電的可能性會越大,如果顆粒過大,隨著電池的使用,此顆粒有可能會越來越大,最終導(dǎo)致電池的短路,因而不管是正極材料廠家還是電池廠,都會采取一定的措施去控制原材料的雜質(zhì)含量,例如燒結(jié)設(shè)備的選擇,從金屬更換為非金屬,制作完成時也會有除雜的過程;在電池廠時也會有相關(guān)的檢測手段和設(shè)備,使用時也得嚴(yán)格控制環(huán)境的粉塵等級等等,都是有效的防止雜質(zhì)含量提高的手段;

磁性物質(zhì)含量:主要是金屬雜質(zhì)中具有磁性的物質(zhì),這些物質(zhì)如果含量過高,在使用過程中會形成一個個的活性位點,不斷的沉積最終導(dǎo)致電池的內(nèi)部短路,因而需要嚴(yán)格的把控,目前材料廠都會對自己所生產(chǎn)的原材料進(jìn)行除磁,最終的檢驗標(biāo)準(zhǔn)也很嚴(yán)格,一般是ppb級別,檢測方法一般是ICP法,在此就不在詳述,有興趣的小伙伴們可以查閱相關(guān)的資料;

熱穩(wěn)定性:隨著三元材料中鎳含量的升高,正極材料的熱穩(wěn)定性會隨之降低,這個一般用DSC或ARC去測量,溫度過高導(dǎo)致正極材料的分解、釋氧,引發(fā)熱失控,所以對于這個指標(biāo),實際上是有兩層意義,一方面,可以通過包覆、摻雜的方法提高正極材料的熱穩(wěn)定性;另一方面,可以通過控制電池的溫度使用范圍,去讓電池達(dá)到一個合理的使用區(qū)間;

2、負(fù)極材料

和正極材料一樣,也是有雜質(zhì)含量、磁性物質(zhì)含量以及熱穩(wěn)定性的要求,具體的影響機理和正極是類似的,在此不再詳述。

3、隔膜

隔膜作為主要的關(guān)鍵原材料,其很多指標(biāo)都和安全直接相關(guān);

穿刺強度:穿刺強度的大小直接影響著電池發(fā)生內(nèi)部短路的可能性,理想狀態(tài)當(dāng)然是越大越好,但對于干法、濕法以及有涂層的隔膜來說是有區(qū)別的,隨著技術(shù)水平的提高,隔膜的厚度是越來越薄,涂覆的東西也是越來越多,主流還是陶瓷,也有各自膠、甚至有導(dǎo)電劑等等,這些都能在一定程度上提高隔膜的穿刺強度。

抗拉強度:對于卷繞型電芯而言,隨著電池循環(huán)的不斷進(jìn)行,邊角處的應(yīng)力會隨著正負(fù)極的不斷膨脹而增大,所以對于隔膜的抗拉強度要求也是逐漸提高的,要求電池在整個使用周期內(nèi)是安全的,實際上對于隔膜的要求也是很高的。

熱收縮性:這個指標(biāo)也很關(guān)鍵,對于動力電池的使用,不僅僅是在常溫的情況下使用,其外部環(huán)境的變化,內(nèi)部產(chǎn)熱的變化,都會對隔膜橫向和縱向的收縮帶來影響,現(xiàn)在普遍的標(biāo)準(zhǔn)為105℃30min,一些企業(yè)的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)會比這個更高,這就要求隔膜企業(yè)對于隔膜的材質(zhì)、生產(chǎn)工藝、涂覆材料的種類等等進(jìn)行深入的研究,生產(chǎn)出更適應(yīng)高能量密度電池的隔膜。

閉孔溫度:這個指標(biāo)主要衡量的是隔膜在極端情況下的安全性能,也是一個很關(guān)鍵的指標(biāo),不同的材質(zhì)是有不同的閉孔溫度,干法和濕法也是有區(qū)別的。

4、電解液

對于鋰離子電池的血液——電解液而言,其很多參數(shù)也和安全性是直接相關(guān)的,例如電解液的純度、雜質(zhì)含量等等,與正負(fù)極材料的相關(guān)參數(shù)也是類似的,現(xiàn)在主要講一下與正負(fù)極材料不同的部分。

熱穩(wěn)定性:電解液的熱穩(wěn)定性與電池的安全直接相關(guān),在電池發(fā)生熱失效的情況下,電解液的熱穩(wěn)定性不足將會直接導(dǎo)致電池的起火爆炸,因而,目前,不燃電解液、惰性添加劑的研究是電解液的一個方向。

電化學(xué)穩(wěn)定窗口:這個參數(shù)直接關(guān)系到電池的上限電壓以及安全電壓,隨著能量密度的提高,電池的上限電壓也越來越高,所以相關(guān)的研究熱點也在如何提高電解液的高電壓穩(wěn)定性以及和材料界面的相容性上。

5、其他材料

導(dǎo)電劑:

雜質(zhì)含量是一個很重要的指標(biāo),很多導(dǎo)電劑在制作過程中是會引入金屬離子雜質(zhì)的,所以在使用時要控制雜質(zhì)的含量;

溶劑:

NMP、純水等的雜質(zhì)含量;

粘結(jié)劑:

雜質(zhì)含量;

膠:

雜質(zhì)含量、分解溫度、耐高壓性能等等,都是與安全相關(guān)的性能;

膠帶、保護(hù)套等:

雜質(zhì)含量、耐高溫性能、耐電解液性能等等,也直接與安全相關(guān);

鋁塑膜、電池殼、蓋、極耳等:

雜質(zhì)含量,鋁塑膜的耐腐蝕性能等等,都是需要關(guān)注的地方;

小結(jié):

隨著動力電池能量密度的提高,安全性隨之降低,本次主要從電池的原材料出發(fā),簡單介紹了一下與安全相關(guān)的指標(biāo),對于動力電池設(shè)計過程而言,其實是一個平衡的過程,怎么在安全和電性能之間做出一個平衡,需要廣大鋰電同仁們一直努力,才能做出高安全性、高能量密度的電池。