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浅析锂电池的安全性、检测

发布时间:2018-03-15 11:48:10编辑:lanbts来源:本站

    随着手机数码产品电动汽车的普及锂离子电池在人们生活当中扮演着越来越重要的角色低能量密度循环寿命有限等使用问题常常被人们诟病但是与这些问题相比电池安全问题却是人们关注的焦点近些年由于电池安全问题引发的事故比比皆是很多问题造成的后果触目惊心比如震惊业界的波音787“梦幻客机锂电池起火事件以及SamsungGalaxy Note 7 大范围的电池起火爆炸事件给锂离子电池的安全性问题再次敲响了警钟

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锂离子电池的组成及工作原理

    锂离子电池主要由正极负极电解液隔膜以及外部连接包装部件构成其中正极负极包含活性电极物质导电剂粘结剂等均匀涂布于铜箔和铝箔集流体上

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    锂离子电池的正极电位较高常为嵌锂过渡金属氧化物或者聚阴离子化合物如钴酸锂锰酸锂三元磷酸铁锂等锂离子电池负极物质通常为碳素材料如石墨和非石墨化碳等锂离子电池电解液主要为非水溶液由有机混合溶剂和锂盐构成其中溶剂多为碳酸之类有机溶剂锂盐多为单价聚阴离子锂盐如六氟磷酸锂等锂离子电池隔膜多为聚乙烯聚丙稀微孔膜起到隔离正负极物质防止电子通过引起短路同时能让电解液中离子通过的作用

    在充电过程中电池内部锂以离子形式从正极脱出由电解液传输穿过隔膜嵌入到负极中电池外部电子由外电路迁移到负极在放电过程中电池内部锂离子从负极脱出穿过隔膜嵌入到正极中电池外部电子由外电路迁移到正极随着充放电迁移于电池间的是锂离子”,而非单质”,因此电池被称为锂离子电池”。

锂离子电池的安全隐患

    一般来说锂离子电池出现安全问题表现为燃烧甚至爆炸出现这些问题的根源在于电池内部的热失控除此之外一些外部因素如过充火源挤压穿刺短路等问题也会导致安全性问题锂离子电池在充放电过程中会发热如果产生的热量超过了电池热量的耗散能力锂离子电池就会过热电池材料就会发生SEI膜的分解电解液分解正极分解负极与电解液的反应和负极与粘合剂的反应等破坏性的副反应

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1、正极材料的安全隐患

    当锂离子电池使用不当时导致电池内部温度的升高使正极材料会发生活性物质的分解和电解液的氧化同时这两种反应能够产生大量的热从而造成电池温度的进一步上升不同的脱锂状态对活性物质晶格转变分解温度和电池的热稳定性影响相差很大

2、负极材料的安全隐患

    早期使用的负极材料是金属锂组装的电池在多次充放电后易产生锂枝晶进而刺破隔膜导致电池短路漏液甚至发生爆炸嵌锂化合物能够有效避免锂枝晶的产生大大提高锂离子电池的安全性随着温度的升高嵌锂状态下的碳负极首先与电解液发生放热反应相同的充放电条件下电解液与嵌锂人造石墨反应的放热速率远大于与嵌锂的中间相碳微球碳纤维焦碳等的反应放热速率

3、隔膜与电解液的安全隐患

    锂离子电池的电解液为锂盐与有机溶剂的混合溶液其中商用的锂盐为六氟磷酸锂该材料在高温下易发生热分解并与微量的水以及有机溶剂之间进行热化学反应降低电解液的热稳定性电解液有机溶剂为碳酸酯类这类溶剂沸点闪点较低在高温下容易与锂盐释放PF5的反应易被氧化

4、制造工艺中的安全隐患

    锂离子电池在制造过程中电极制造电池装配等过程都会对电池的安全性产生影响如正极和负极混料涂布辊压裁片或冲切组装加注电解液的量封口化成等诸道工序的质量控制无一不影响电池的性能和安全性浆料的均匀度决定了活性物质在电极上分布的均匀性从而影响电池的安全性浆料细度太大电池充放电时会出现负极材料膨胀与收缩比较大的变化可能出现金属锂的析出浆料细度太小会导致电池内阻过大涂布加热温度过低或烘干时间不足会使溶剂残留粘结剂部分溶解造成部分活性物质容易剥离温度过高可能造成粘结剂炭化活性物质脱落造成电池内部短路

5、电池使用过程中的安全隐患

    锂离子电池在使用过程中应该尽可能减少过充电或者过放电特别对于单体容量高的电池因热扰动可能会引发一系列放热副反应导致安全性问题

锂离子电池安全检测指标

    锂离子电池生产出来后在到达消费者手中之前还需要进行一系列检测以尽量保证电池的安全性降低安全隐患

1、挤压测试将充满电的电池放在一个平面上由油压缸施与13±1KN的挤压力由直径为32mm的钢棒平面挤压电池一旦挤压压力到达最大停止挤压电池不起火不爆炸即可

2、撞击测试电池充满电后放置在一个平面上将直径15.8mm的钢柱垂直置于电池中心将重量9.1kg的重物从610mm的高度自由落到电池上方的钢柱上电池不起火不爆炸即可

3、过充测试将电池用1C充满电按照3C过充10V进行过充试验当电池过充时电压上升到一定电压时稳定一段时间接近一定时间时电池电压快速上升当上升至一定限度时电池高帽拉断电压跌至0V,电池没有起火爆炸即可

4、短路测试将电池充满电后用电阻不大于50mΩ的导线将电池正负极短路测试电池的表面温度变化电池表面最高温度为140℃,电池盖帽拉开电池不起火不爆炸

5、针刺测试将充满电的电池放在一个平面上用直径3mm的钢针沿径向将电池刺穿测试电池不起火不爆炸即可

6、温度循环测试锂离子电池温度循环试验是用来模拟锂离子电池在运输或贮存过程中反复暴露在低温和高温环境下锂离子电池的安全性试验是利用迅速和极端的温度变化进行的试验后样品应不起火不爆炸不漏液

锂离子电池安全性解决方案

针对锂离子电池在材料制造和使用过程中的诸多安全隐患如何对容易产生安全问题的部分进行改进是锂离子电池制造商需要解决的问题

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1、提高电解液的安全性

    电解液与正负电极之间均存在很高的反应活性尤其在高温下为了提高电池的安全性提高电解液的安全性是比较有效的方法之一通过加入功能添加剂使用新型锂盐以及使用新型溶剂可以有效解决电解液的安全隐患

    根据添加剂功能的不同主要可以分为以下几种安全保护添加剂成膜添加剂保护正极添加剂稳定锂盐添加剂促锂沉淀添加剂集流体防腐添加剂增强浸润性添加剂等

    为了改善商用锂盐的性能研究者们对其进行了原子取代得到了许多衍生物其中采用全氟烷基取代原子得到的化合物具有闪点高电导率近似耐水性增强等诸多优点是一类很有应用前景的锂盐化合物另外以硼原子为中心原子与氧配体螯合得到的阴离子锂盐具有很高的热稳定性

    对于溶剂方面很多研究者提出了一系列新型的有机溶剂如羧酸酯有机醚类有机溶剂另外离子液体也有一类安全性高的电解液但是相对普遍使用的碳酸酯类电解液离子液体的粘度高个数量级电导率离子自扩散系数较低离实用化还有很多工作要做

2、提高电极材料的安全性

    磷酸铁锂以及三元复合材料被认为是成本低廉、“安全性优良的正极材料有可能在电动汽车产业中普及应用对于正极材料提高其安全性的常见方法为包覆修饰如用金属氧化物对正极材料进行表面包覆可以阻止正极材料与电解液之间的直接接触抑制正极物质发生相变提高其结构稳定性降低晶格中阳离子的无序性以降低副反应产热

    对于负极材料由于其表面的往往是锂离子电池中最容易发生热化学分解并放热的部分因此提高SEI膜的热稳定性是提高负极材料安全性的关键方法通过微弱氧化金属和金属氧化物沉积聚合物或者碳包覆可以提高负极材料热稳定性

3、改善电池的安全保护设计

    除了提高电池材料的安全性商品锂离子电池采用的许多安全保护措施如设置电池安全阀热溶保险丝串联具有正温度系数的部件采用热封闭隔膜加载专用保护电路专用电池管理系统等也是增强安全性的手段

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