有关锂离子动力锂电池安全性问题影响因素有什么

锂离子电池由于其具有高能量密度，高功率密度和长运用寿数的特色，在化学储能器件中脱颖而出，现在在便携式电子产品范畴现已技能成熟广泛运用了，现在在国家的方针支持下，在电动汽车范畴和大规模储能范畴的需求量也呈爆发式的上升。

锂离子电池在通常状况下是安全的，可是，时有安全性事端的报导呈现在大众面前。比较闻名的有近几年的波音公司737和B787飞机电池着火，比亚迪电动汽车起火，特斯拉MODELS起火…这些锂离子电池安全性事端进入大众视界的最早时刻能够追溯到4、5年以前。开展到现在，安全性仍然是限制锂离子电池在高能量/高功率范畴运用的关键性要素。热失控不仅是发作安全性问题的实质原因，也是限制锂离子电池功用体现的短板之一。

锂离子电池的潜在安全性问题很大程度上影响了顾客的决心。尽管人们一直期待BMS能够精确地监控安全状况（SOS）并能猜测和阻挠一些故障的发作,可是，由于热失控的状况杂乱多样，很难由一种技能体系确保其生命周期中所面对的所有安全状况，所以，对其引发原因的分析和研讨对一个安全牢靠的锂离子电池来说仍然是必要的。

2.电芯资料的选择

锂离子电池的内部组成首要为正极｜电解质｜隔阂｜电解质｜负极，在此基础上再进行极耳的焊接，外包装的包裹等进程最终构成一只完整的电芯。电芯再经过初始的充放电，化成分容排气等进程今后，就能够出厂运用了。这个进程的第一步，是资料的选择。影响资料的安全性要素首要是其本征的轨迹能量、晶体结构和资料的性状。

2.1正极资料

正极活性资料在电池中的首要用途是贡献比容量和比能量，其本征电极电势对安全性有必定的影响。例如，近年来，我国现已将低电压资料LiFePO4（磷酸铁锂）作为动力锂电池的正极资料广泛运用于交通工具（例如混合式动力车HEV,电动汽车EV）和储能设备（例如不间断电源UPS）中，可是LiFePO4在众多资料中所展现出来的安全性优势实践是以献身能量密度为价值的，也就是说会限制其运用者（如EV,UPS）的续航能力。而像NMC(LiNixMnyCo1-x-yO2)等三元资料尽管在能量密度上体现优异，可是作为动力锂电池的理想正极资料，安全性问题一直得不到完善的处理。为了研讨正极资料的热行为，研讨者们都做了许多作业，发现本征电极电势和晶体结构是影响其安全性的首要要素，如电极电位μC和电解液的电化学窗口最高占据轨迹HOMO是否完美匹配，晶格中能否顺利一起经过多个锂离子……经过对资料种类的选择和元素的掺杂能够增强正极活性资料的安全功用。

2.2负极资料

负极活性资料对安全功用的影响首要来自于其本征的轨迹能量和电解质LUMO,HOMO的装备联系。在快充的进程中，锂离子经过SEI（固态电解质界面）膜的速度可能比锂在负极的堆积速度慢，锂的支晶会跟着充放电循环而不断生长，可能导致内短路而引燃可燃性的电解质发作热失控，这一特性限制了负极在快充进程中的安全性。只有在以含碳资料作为缓冲层的锂合金的负极电动势和锂的电动势之差小于-0.7Ev，即μA<μLi0.7eV的状况下，才干确保锂的堆积不会构成短路。出于安全性的考虑，动力锂电池应选用电动势小于1.0eV（相关于Li+/Li0）的负极资料完成安全的快充或许能够完成将充电电压操控在远低于锂的堆积电位的范围内。Li4Ti5O12在快充和快放范畴有安全性的优势，原因是其电动势为1.5eV（相关于Li+/Li0），低于电解质的LUMO。还有一种负极资料Ti0.9Nb0.1Nb2O7，它能够在1.3≤V≤1.6V（相关于Li+/Li0）的电压下快速充放30周以上，并且具有300mAhg1的比容量，高于LTO。在放电的进程中由于不存在锂离子经过SEI膜和在负极上堆积的速度竞争，所以快放进程是安全的。

2.3电解质和隔阂

电解质和隔阂对安全性的影响首要是其性状。

现在广泛运用的商用电解质的可燃性和液体状况对安全性来讲不是特别理想的选择。假如选用锂离子电导率σLi+>104Scm1的固态电解质，就能够一方面阻挠锂支晶刺破隔阂抵达正极然后处理安全性问题，另一方面也能够处理负极与碳酸盐电解质接触和正极与水性电解液接触时发生的稳定性问题。当然，经过运用具有更宽的电化学窗口（特别是LUMO更高）的电解液，在电解质里新增一些阻燃资料，将混合的离子液体和有机液体电解质改性成为不易燃的电解液（与此一起离子传导率σLi也不会下降太多）等手法也能够有效地进步安全性。

隔阂的机械强度（抗拉伸和穿刺强度）、孔隙率和是否具有封闭功用是决议其安全性的重要根据。

3.电芯的制作

从电极的配料开端，要经过一系列的如拌和、拉浆、裁片、刮粉、刷粉、对辊、极耳铆接、焊接连片、贴胶纸、测验、化成等进程。在这一系列的流程中，即便所有进程都现已完成，仍有可能由于作业不到位而导致电池内阻升高或短路而构成安全性问题的隐患。如：焊接进程中发生虚焊（正/负极片与极耳间，正极极片与盖帽间，负极极片与壳间，铆钉与接触内阻大等），料尘，隔阂纸太小或未垫好，隔阂有洞，毛刺未整理洁净等。正负极的容量配比过错也可能会导致大量金属锂在负极外表堆积，浆料均匀性不够也会导致活性颗粒物散布不均，构成充放电负极体积改变大而析锂，然后影响其安全功用。此外，化成进程中SEI膜的生成质量也直接决议了电池的循环功用和安全功用，影响其嵌锂稳定性和热稳定性。影响SEI膜的要素包含负极碳资料、电解质和溶剂的类别，化成时的电流密度，温度及压力等参数的设定，经过对资料的适当选择，化成工艺的参数调整，能够进步生成SEI膜的质量，然后进步电芯的安全功用。

4.电堆的集成

4.1BMS电池办理体系

电池办理体系（BMS）在动力锂电池的运用中被寄予处理关键问题的期望。办理体系需求办理电池及其一致性，使其在不同条件下（温度，海拔高度，最大倍率，电荷状况，循环寿数……）取得最大的能量贮存、往复效率和安全性。BMS包含一些通用的模块：数据采集器，通讯单元和电池状况（SOC,SOC,SOP……）评估模型。跟着动力锂电池的开展，对BMS的办理能力要求也更多更严苛。新增了比如热量办理模块，高压监控模块……经过这些安全性模块的新增，可望改进动力锂电池在运用进程中的安全牢靠性。

4.2电堆的集成规划

电池发作热失控后会引发冒烟、起火、爆炸等具有破坏性的行为，危害到运用者的人身安全。即便选用理论上最安全的装备方法，也不足以让人高枕无忧。如选用LiFePO4和Li4Ti5O12做成安全而适用于快速充放电电池的正极和负极资料，他们的电动势都坐落电解质的电化学窗口内，也不再需求SEI膜。可是，即是这样也会由于氧化还原电对会出现在阴离子的P轨迹顶部或许和阳离子的4S轨迹发作交叠而不足以应付该电极在一些工况下的作业状况。再合理的电芯规划和制作也无法防止运用工况中的意外状况发作，只有合理的电池包集成规划才干够让电堆在电芯出问题的状况下及时止损。

如前所述，电池的安全性和续航能力在资料的层面是一对互相矛盾的成果。为了处理安全性和续航能力的平衡问题，TeslaMotorsCo.Ltd率先做出了模范给了我们很好的启示。特斯拉的ModelS运用了松下公司（PanasonicCo.Ltd）的高能量密度的NCR18650A型电池，在一个电堆中运用了7000多节电芯。这本是一个发作热失控几率很高的组合方法，但经过对电堆集成及其BMS的规划，运用了许多创新性专利，使ModelS在实践运用进程中发作安全事端的几率大大下降。以特斯拉的揭露专利为例，其中对单体安全功用、模组module安全功用和电池pack总成安全功用的加强能够或多或少代表处理集成的先进办法。

Tesla经过在电芯的电极处、外壳上新增防火资料和套管，在单体之间坚持最小安全间隔，选用垫片坚持单体在起火后的间距保持不变，运用高效安全阀猜测单体破裂位置，单体安全阀门阀门翻开后即切断单体与电器的衔接，然后防止单体电芯间的热量分散和发作热失控之后引起的链式反响。一起，经过在电池的电极和电池壳的内外表之间安置绝热层，在模组间安置绝缘层，将Pack分区进行维护，然后隔绝模组间在发作热失控发作后的热量传导和失控分散。这些措施从电芯到模组的层面，层层设防，以期在内部热失控发作后最大限度地及时止损。

4.3热失控预案规划

关于热失控发作后的预案规划方法多种类,多层面，除了上述的各种集成时考虑的安全性规划外，还有布控冷却管道为电池冷却和热失控自动缓和体系启动喷出冷却液体以消减热失控发生的影响；子电堆安全阀门及时翻开，让热失控发生的高温气体及时排出体系，再由总阀门排出；运用内置的其他体系吸收热失控高温发生的能量，下降危害……最后，一旦发作前序手法无法操控的状况，经过，在pack所在位置的底部加装防弹板，在乘员舱和pack层之间加阻热层以最大可能性减小热失控发作后所带来的人身伤害。这些规划不仅能够使内部热失控时的能量及时消减，也能够预见在电池层面完全失去操控后，灾难性结果仍在掌控范围内然后从根本上确保运用者的人身安全。

5.电池的乱用

即便锂离子电池在如前所述的制作集成进程中都完美无瑕，在用户实践运用的工况中，也难以防止乱用的状况。充放电制度（过充过放），环境温度（热箱），其他乱用（针刺，揉捏，内短路）等，加上新国标新增的环境湿度（海水浸泡）都是由于乱用问题而构成安全性问题的原因。过充会构成正极活性资料晶体塌陷，锂离子脱嵌通道受阻，然后使内阻急剧升高，发生大量焦耳热，一起也会使负极活性资料嵌锂能力下降而发生锂支晶构成短路的结果。环境温度过热会构成锂离子电池内部一系列链式化学反响，包含隔阂的熔解，正/负极活性资料与电解质的反响，正极/SEI膜/溶剂分解，嵌锂负极与粘结剂的反响等。针刺/揉捏都是在部分构成内短路，和内短路相同在短路区聚集大量热而构成热失控的结果。