关于锂离子电池安全性能的分析

随着电子产品的普及和绿色新能源的倡导，电池作为一种新能源储存的解决方案被普遍用于人们生活、工业、运输等方面，并且这种能源有替代传统能源的趋势，但是在广泛应用的同时，电池的很多弊端也显露出来，其中爆炸和燃烧是电池在使用中最大的安全问题，其就如一颗定时炸弹时时地威胁着人们的生命财产安全，电池的安全性如今是我们越来越多去探讨和研究的问题。

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锂电池简介：

“锂电池”，是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由GilbertN.Lewis提出并研究。20世纪70年代时，M.S.Whittingham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。随着科学技术的发展，现在锂电池已经成为了主流。

锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生，其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制，现在只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。

锂电池安全性的分析探讨

在目前的生产应用中化学电源由于其技术难度不高，生产成本较低，比能量较好，被广泛地得以应用。化学电源在使用过程中，不断通过化学反应，产生定向流动的电子从而提供持续的电源，在其化学反应中会伴随着热量的产生，当热量不能及时扩散，会导致热失控，热失控会使电池发生毁坏，如猛烈的泄气、破裂并伴随着着火，若要安全地使用电池，必须在有限的使温度范围、充电倍率、充放电终止电压等才能保证电池的安全运行。

一、电池爆炸原因分析

锂电池芯爆炸的类形可归纳为外部短路、内部短路、及过充三种。此处的外部系指电芯的外部，包含了电池组内部绝缘设计不良等所引起的短路。当电芯外部发生短路，电子组件又未能切断回路时，电芯内部会产生高热，造成部分电解液汽化，将电池外壳撑大。当电池内部温度高到135摄氏度时，质量好的隔膜纸，会将细孔关闭，电化学反应终止或近乎终止，电流骤降，温度也慢慢下降，进而避免了爆炸发生。但是，细孔关闭率太差，或是细孔根本不会关闭的隔膜纸，会让电池温度继续升高，更多的电解液汽化，最后将电池外壳撑破，甚至将电池温度提高到使材料燃烧并爆炸。内部短路主要是铜箔与铝箔的毛刺穿破隔膜，或是锂原子的树枝状结晶穿破隔膜所造成。这些细小的针状金属，会造成微短路。由于针很细有一定的电阻值，因此，电流不见得会很大，毛刺微短路引发爆炸的机率不高。过充引发内部短路造成的这种爆炸，并不一定发生在充电的当时。有可能电池温度还未高到让材料燃烧、产生的气体也未足以撑破电池外壳时，消费者就终止充电，带手机出门。这时众多的微短路所产生的热，慢慢的将电池温度提高，经过一段时间后，才发生爆炸。由此可见锂电池芯爆炸。

二、影响锂离子电池安全的因素

一般情况下锂离子电池除了要满足容量、内阻和高低温充放电性能的要求外还需要通过各种安全性能测试。往往锂离子电池的过充电、短路、热冲击和机械冲击等均容易对电池的安全产生影响，但是这些因素的作用和效果却不尽相同。

1、针刺、短路和挤压对电池安全性的影响

当电池发生外部短路或受到针刺和挤压时，往往很容易导致电池内部的隔膜破裂，造成电池在极短的时间内有很大的电流流过，这样就直接导致电池内部温度急剧升高，从而在很短的时间内引发一系列的剧烈反应，甚至发生燃烧、爆炸等安全问题。对于安全性能较差的电池，这个过程往往在数秒内完成。由于锂离子电池比能量很高，如2200mAh的笔记本电脑电池，单只能量可达30kJ左右，一旦发生短路，电池可以达到很高的发热功率，致使电池在很短的时间内上升到极高的温度，发生危险后的电池封口处的铝制防爆阀往往被熔化。

2、热冲击对电池安全的影响

当电池受到热冲击时，由于电池导热速率相对较慢，因此可以经受较短时间的热冲击。与短路和针刺挤压相比，如果热冲击的温度较低，则对电池的影响不大，如果热冲击的温度较高，导致电池负极表面SEI膜发生分解，高度嵌锂的负极材料就会与电解液发生放热反应，此时电池进入危险期，但是否发生危险取决于电池散热的速率，如果散热速率较慢，就容易导致电池内部温度进一步升高，隔膜熔化，电池内部发生短路，温度急剧升高，引发正极材料参与反应，最后发生爆炸等危险事故，这个过程一般称为“热失控”。

1.3过充电对电池安全的影响

当电池发生过充时，不同电极材料由于化学性质不同，产生的影响也不同。在高倍率充电初期，大部分电能通过可逆的化学反应而被储存，电池发热功率较小，但是在充电后期由于发生不可逆的化学反应，电能变成了热能，导致电池温度迅速升高而引发一系列的化学反应。

三、提高锂离子电池安全性的措施

1、选用安全系数更高的原材料

选用安全系数更高的正负极活性材料、隔膜材料和电解液。正极材料的安全性主要基于材料的热力学稳定性、材料的化学稳定性、材料的物理性能三个方面进行;隔膜材料应基于机械隔离性能、孔径和空隙率、材料的化学稳定行、自动关闭功能、较小的热收缩率和变形率、材料厚度、较大的物理强度等方面进行综合考虑;电解液应选择化学稳定行好、电化学稳定性好、锂离子导电率高、液态稳定范围宽的材料。

2、强加电芯整体安全设计

电芯是将电池各种物质组合起来的纽带，是正极、负极、隔膜、极耳和包装膜等结构的集成，电芯结构设计不但影响到各种材料性能的发挥，还对电池整体化学性能、安全性能产生重要的影响。在电芯设计上，应结合材料特性来制定合理的结构模式，在锂电池结构上还可以考虑加入一些额外的保护装置，如采用开关元件、安全阀等。

3、提高工艺水平

努力做好电芯生产过程中的标准化和规范化。在混料、涂布、烘烤、压实、分切和卷绕等步骤中，制定标准化(如隔膜宽度、电解液注液量等)，改进工艺手段(如低气压注液法、离心装壳法等)，做好工艺控制.保证工艺质量，缩小产品间的差异：在对安全有影响到关键步骤设置特殊步(如去极片毛刺、扫粉、对不同的材料采用不同的焊接方法等)。实施标准化质量监控，消除缺陷部位，排除有缺陷产品(如极片变形、隔膜刺破、活性材料脱落和电解液泄漏等);保持生产场所的整洁、清洁。实施5S管理和6-sigma质量控制。防止生产中混入杂质和水分，尽量减少生产中的意外情况对安全性的影响。

4结论

各种锂离子电池由于具有优良的性能而得到了广泛的应用，同时其安全性也同样受到了广泛关注。由于锂离子电池由高活性的正负极材料和有机电解液组成，在受热条件下非常容易发生剧烈的化学反应，因此各种情况导致的“热失控”是引发电池发生危险事故的主要原因。目前一般采用了防爆阀、热封闭隔膜和正温度系数电阻等安全措施，同时各种提高电池安全性的化学方法也正在研究中，往往各种安全措施的配合使用可以更好地提高锂离子电池的安全性。