新型锂离子动力电池的安全性问题无解吗

来源：存能电气  日期：2019-07-26 11:29  浏览量：次

　　新型锂离子动力电池的安全性问题无解吗？随着手机、的数码产品、电动汽车普及，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。那是否新型锂离子动力电池的安全性问题真的无解？

　　锂电池安全性问题分析

　　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。

　　▲热力学的角度：研究已经证实，不仅仅是在负极，正极材料的表面也覆盖一层很薄钝化膜，覆盖在正负极表面的钝化膜对锂离子电池各方面性能均会产生非常重要的影响，并且这个特殊的界面问题只有在非水有机电解液体系才存在。

　　从费米能级的角度而言，现有的锂离子电池体系在热力学上是不稳定的，它之所以能够稳定工作是因为正极和负极表面的钝化膜在动力学上隔绝了正负极与电解液的进一步反应。因此，锂电的安全性与正负极表面的钝化膜的完整和致密程度直接相关，认识这个问题对理解锂电的安全性问题将是至关重要的。

　　▲热传递角度：锂离子电池的不安全行为(包括电池在过充过放、快速充放电、短路、机械滥用条件和高温热冲击等情况)容易触发电池内部的危险性副反应而产生热量，直接破坏负极和正极表面的钝化膜。

　　当电芯温度上升到130℃以后，负极表面的SEI膜分解，导致高活性锂碳负极暴露于电解液中发生剧烈的氧化还原反应，产生的热量使电池进入高危状态。

　　当电池内部局部温度升高到200℃以上时，正极表面钝化膜分解正极发生析氧，并继续同电解液发生剧烈反应产生大量的热量并形成高内压。当电池温度达到240℃以上时，还伴随锂炭负极同粘结剂的剧烈放热反应。

　　可见，负极表面SEI膜的破损从而导致高活性嵌锂负极与电解液的剧烈放热反应，是导致电池温度升高进而引发电池热失控的直接原因。而正极材料的分解放热只是热失控反应其中的一个环节，甚至都不是最主要的因素。磷酸铁锂(LFP)结构非常稳定通常状态下不发生热分解，但是其它危险性副反应在LFP电池中仍然存在，因此LFP电池的“安全性”只是相对意义上的。

　　▲电极材料的可燃性：锂电采用的有机溶剂都具有易燃性并且闪点过低，不安全行为导致的热失控很容易点燃低闪点的可燃性液体组分而导致电池燃烧。锂电负极碳材料、隔膜和正极导电碳也具有可燃性。

　　锂电发生燃烧的几率高于电池爆炸的几率，但电池爆炸必定伴随着燃烧。此外，当电池开裂并且外界环境的空气湿度较高时，空气中的水分和氧气极易与嵌锂的碳负极发生剧烈的化学反应放出大量的热进而引起电池的燃烧。电极材料的易燃性是锂离子电池相对于水系二次电池的一大不同之处。

　　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。

　　新型锂离子动力电池的安全性能决定了锂离子电池在动力领域的市场和未来，影响动力电池安全性能的因素贯穿了一个动力电池从电芯选材到使用终结的生命周期的始终，因此原因复杂多样层次丰富。总之，锂离子动力电池的安全性问题研究任重而道远，唯有理论结合实际不断创新，才能迎来在高能量、高功率应用领域真正意义上的辉煌。