锂电池热失控与锂电池包的安全性的分析

锂离子电池作为在我们生活中最为常见的化学储能电源，其安全性是我们永恒的关注点。在锂电池包结构设计上人们采用了三层复合隔膜和陶瓷涂层隔膜，来提升锂电池在高温情况下的安全性。即便是做了万全的安全设计，仍然难以避免，这就是机械滥用导致的锂电池热失控。本文存能电气小编就和大家聊聊如何控制锂电池热失控。

锂电池热失控严重：

热失控是发生在锂电池包内的一个电池上，热失控电池释放出的高温，会导致热失控在电池组内部蔓延，引发严重的后果。因此，如何避免锂离子电池发生热失控和如何抑制热失控在电池组内部蔓延就成为了人们关注的焦点。

对于锂离子电池而言，热失控是最严重的安全事故。锂电池热失控源于产热速率远高于散热速率，大量的热量在锂离子电池内部积累，引起锂离子电池温度的快速升高，导致隔膜收缩、熔化，正负极活性物质分解等自发的放热反应，引起锂离子电池起火和爆炸。锂电池热失控严重威胁着使用者的生命和财产安全，因此对热失控的机理的研究就显得尤为重要，以往由于实验条件的限制，使得我们只能够通过外壳温度和电池电压变化的情况间接的推断锂离子电池内部的一些反应。

从本质上而言，“热失控”是一个能量正反馈循环过程：升高的温度会导致系统变热，系统变热升高温度，这又反过来又让系统变得更热。热失控是很常见的现象，从混凝土养护到恒星爆炸，都有可能会出现热失控。热失控现象及其强度与锂电池的大小、配置和电池单元的数量有关。

小型锂电池组只有几个锂电池单元，所以热失控从有问题的电池单元传播到其他单元的机会相对较低。而波音787巨大的电池组就是另外一回事了：它们装在密封的金属盒里，不能排放余热，当一个电池单元热到足以点燃电解质时，其余的电池单元就会迅速跟进。

锂电池充电时，金属锂的表面沉积非常容易聚结成枝杈状锂枝晶，从而刺穿隔膜，造成正负极直接短路。而且，金属锂非常活泼，可直接和电解液反应放热，其熔点又很低，即使表面金属锂枝晶没有刺穿隔膜，只要温度稍高，金属锂就会溶解，从而引发短路。材料发生氧化还原热反应的温度越高，表明其氧化能力越弱，正极材料的氧化能力越强，发生反应就越剧烈，也越容易引发安全事故。

如何高锂电池包的安全性？

当前引发锂电池热失控的因素多种多样，总结起来主要有过热、过充、内短路、碰撞等引起的发热失控。如何提高锂电池包的安全性，把热失控的风险降至最低成为人们研究的重中之重。对于单电池来说，其安全性除了与正极材料相关外，还与负极、隔膜、电解液、粘结剂等其他电池组成部分有着很大关系。下面讲述研究者们是如何在电池材料上降低电池热失控风险，提高锂电池包安全性。

一、正极材料

出于安全性考虑，正极材料需要与电解液的相容性和稳定性好。在过充的情况下，正极的分解反应及其与电解液的反应放出大量热量，造成爆炸。钴酸锂、镍酸锂的热稳定都比较差，镍钴锰酸锂三元材料由于其比容量高、具有较高的比能量密度，成为当下正极材料的理想之选。

在自组装和抽滤的过程中，磷酸铁锂纳米颗粒均匀得分散在高导电性且多孔的羟基磷灰石超长纳米线/科琴黑纳米颗粒/碳纤维基底中，从而形成自支撑、具有独特复合多孔结构的磷酸铁锂耐高温正极材料，其具有优异的热稳定性和耐火性，即使在1000℃的高温下也能保持其电化学活性和结构完整性。

二、负极材料

负极材料的热稳定性与负极材料的种类、材料颗粒的大小以及负极所形成的SEI膜的稳定性有关。如将大小颗粒按一定配比制成负极即可达到扩大颗粒之间接触面积,降低电极阻抗,增加电极容量,减小活性金属锂析出可能性的目的。

SEI膜形成的质量直接影响锂电池包的充放电性能与安全性,将碳材料表面弱氧化,或经还原、掺杂、表面改性的碳材料以及使用球形或纤维状的碳材料有助于SEI膜质量的提高。解决碳负极材料安全性的方法主要有降低负极材料的比表面积、提高SEI膜的热稳定性。

三、隔膜

锂电人士最近成功的研发出一种新型羟基磷灰石超长纳米线基耐高温锂电池隔膜，该电池隔膜除了具有柔韧性高、力学强度好、孔隙率高、电解液润湿和吸附性能优良的特点外，更重要的是热稳定性高、耐高温、阻燃耐火，在700℃的高温下仍可保持其结构完整性。

采用羟基磷灰石超长纳米线基耐高温电池隔膜组装的电池在150℃高温环境中能够保持正常工作状态，并点亮小灯泡，而采用PP隔膜组装成的电池在150℃高温下很快发生短路，可以有效提高锂电池包的工作温度和安全性。

四、电解液

锂电池包电解液基本上是有机碳酸酯类物质，是一类易燃物。常用电解质盐六氟磷酸锂（LiPF6）存在热分解放热反应。因此提高电解液的安全性对动力锂离子电池的安全性控制至关重要。采用高浓度NaN(SO2F)2或者LiN(SO2F)2作为锂盐，添加常见的阻燃剂磷酸三甲酯TMP，制备的电解液能够显著提高锂电池的热稳定性，而且阻燃剂的添加并没有对锂电池包的循环性能产生影响。

针对动力电池在使用中可能面临冲击的情况，很多人试图在根源上避免外力导致的锂电池内短路发生，设计了一种具有剪切增稠特性的电解液，该电解液利用非牛顿流体的特性，在正常状态下，电解液呈现液体状态，在遭遇突然的冲击后则会呈现固体状态，变得异常坚固，甚至能够达到防弹的效果，从而从根源上避免了在动力锂电池包发生碰撞时电池内短路导致热失控的风险。

五、导电剂与粘结剂

导电剂与粘结剂的种类与数量也影响着电池的热稳定性，粘结剂与锂在高温下反应产生大量的热，不同粘结剂发热量不同,PVDF的发热量几乎是无氟粘结剂的2倍,用无氟粘结剂代替PVDF可以提高电池的热稳定性。锂离子电池热失控严重威胁着使用者的生命还财产安全，提高锂离子电池的安全性、避免热失控的发生不仅需要从电池材料上做出改变，还需要结合电池配方设计、结构设计和锂电池组的热管理设计上多管齐下，共同提高锂电池包热稳定性，减少热失控发生的可能性。

随着锂电池包的不断推广，锂电池的安全性越来越受到人们的关注，由于电池本身技术原因或是使用不当等问题都可能会造成锂离子电池爆炸，引起火灾等安全事故。尤其近几年以电动汽车为主的电动交通工具市场对电池的需求不断加大，在发展大功率锂电池体系过程中，电池安全问题引起了广泛重视，存在的问题急需进一步解决。