如何解决锂离子电池的安全性能问题？

一、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。

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。

二、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。

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。

三、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。

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。

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。

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。