萬軍

摘要：鋰離子因?yàn)槠鋬?yōu)異性能在各方面得到廣泛的應(yīng)用，但是在使用過程中，鋰離子電池的熱穩(wěn)定性、安全性以及生命周期受到多種因素的影響，本文對于鋰離子的動(dòng)力電池?zé)崮Ｐ鸵约半娔軠y試進(jìn)行研究，對于提升電池安全性能的方式進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；熱安全型；進(jìn)展

1、前言

1995年索尼公司開發(fā)了用于電動(dòng)車的鋰離子蓄電池，當(dāng)前的鋰離子電池以其大功率密度和高充放電效率具有廣泛的用途，當(dāng)前的廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車的電池包括HEV高功率鋰電池（容量為22Ah，8只串聯(lián)成電池模塊）與BEV高能行鋰電池（容量為100Ah的圓柱形單體電池，8只串聯(lián)成一個(gè)電池模塊）。鋰電池雖然得到了廣泛的用途，但是因?yàn)槠涑浞烹娺^程中存在多種化學(xué)、物質(zhì)傳輸以及電化學(xué)反應(yīng)，而且充放電電流密度大，散熱條件差，容易引發(fā)熱穩(wěn)定性安全問題。鋰電池的安全使用溫度為30-50℃，高溫情況下鋰離子的使用壽命會(huì)受到影響，使用溫度每升高1℃，鋰電池的使用壽命減低2個(gè)月，除了使用壽命受到影響之外，因?yàn)槎搪?、高溫等情況會(huì)引發(fā)鋰電池的熱安全性問題。除了索尼公司的鋰電池之外，日本神戶公司、法國薩弗特公司、德國瓦爾特公司都已經(jīng)從事鋰離子動(dòng)力電池的研究，鋰離子動(dòng)力電池的熱安全性是影響電池使用的重要因素，為了提升鋰離子動(dòng)力電池的大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展，需要對其熱安全性進(jìn)行研究。本文從鋰離子動(dòng)力電池的電池材料、制造工藝以及電熱管理等方面對電池?zé)岚踩缘难芯窟M(jìn)展進(jìn)行綜述，期望為相關(guān)研究提供參考。

2、電池材料的熱安全性研究

一般的鋰離子電池的最大放電倍數(shù)率為2C，但是動(dòng)力性鋰離子電池要求達(dá)到8C以上，電池材料的穩(wěn)定性對于鋰離子動(dòng)力電池安全性具有重要的影響。與一般的鋰離子電池相比，動(dòng)力性鋰離子電池的大電流放電會(huì)導(dǎo)致放電容量下降，從而造成局部發(fā)熱，引發(fā)電池中的化學(xué)反應(yīng)以及分解反應(yīng)，從而產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致電池內(nèi)容部的壓力升高，短時(shí)間劇集熱量引發(fā)電池燃燒爆炸。發(fā)生于鋰離子動(dòng)力電池中的放熱反應(yīng)包括整機(jī)、負(fù)極、電解質(zhì)的熱分解反應(yīng)以及有機(jī)電解液在正負(fù)極發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。為了了解電池內(nèi)部材料的高溫反應(yīng)，通常采用熱重分析法、示差掃描熱量法、加速量熱法等多種方法進(jìn)行材料熱安全性研究。

2.1 正極材料

正極材料與點(diǎn)解材料之間的高溫反應(yīng)是造成電池不安全性的主要因素，當(dāng)前使用較為廣泛的為層狀LiCoO2、LiNiO2、尖晶石LiMn2O4、LiCoO2、橄欖石LiFePO4等材料，Roth等采用差示掃描熱法研究這些材料的熱穩(wěn)定性，研究表明電解液與正極材料之間普遍存在放熱反應(yīng)，而且LiCoO2的容量較高，但是相應(yīng)的循環(huán)性能較差，熱穩(wěn)定性較差；橄欖石LiFePO4的熱穩(wěn)定性適中，電化學(xué)性能優(yōu)異。相比較而言，LiFePO4的來源豐富、價(jià)格較低，熱穩(wěn)定最佳，是制備鋰離子動(dòng)力電池的理想材料。為了提升鋰電池動(dòng)力電池?zé)岚踩阅埽瑧?yīng)該在熱反應(yīng)溫度、放熱量的研究基礎(chǔ)上，采用符合技術(shù)、涂層技術(shù)等技術(shù)，改進(jìn)合成方法，提升材料的熱穩(wěn)定性。

2.2 負(fù)極材料

早期鋰離子電池的的負(fù)極材料為金屬鋰，因?yàn)榻饘黉囋诙啻纬浞烹娺^程中容易產(chǎn)生鋰枝晶，該晶體會(huì)造成電池短路，從而引發(fā)爆炸事故。為了提升鋰離子動(dòng)力電池的使用安全性，避免產(chǎn)生鋰枝晶，當(dāng)前通常采用嵌鋰化合物作為鋰離子電池的負(fù)極材料，常用的有鋰離子嵌入碳化合物，將石油焦炭、碳纖維、石墨作為負(fù)極材料。鋰離子嵌入碳化合物的負(fù)極材料具有較為穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，但是隨著溫度的升高，鋰離子嵌入碳化合物的碳負(fù)極將首先與電解液發(fā)生放熱反應(yīng)，容易生成易燃?xì)怏w，從而影響鋰離子電池的安全性。對于碳負(fù)極材料的研究顯示，鋰離子在人造石墨中的放熱速率較大，電池安全性較差；鋰離子電池充電過程中，溶劑、鋰鹽陰離子以及雜質(zhì)沉積在負(fù)極表面形成的鈍化膜稱之為SEI膜，SEI膜的質(zhì)量對于鋰離子動(dòng)力電池的充放電性能與安全性具有直接的影響；負(fù)極材料中的粘結(jié)劑對電池溫度升高時(shí)會(huì)與負(fù)極活性材料發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)，是影響鋰離子動(dòng)力電池的熱安全性的關(guān)鍵因素，因此需要合理的選擇粘結(jié)劑的種類以及含量。

2.3 有機(jī)電解液

鋰離子動(dòng)力電池的有機(jī)電解液包括溶劑、電解質(zhì)鋰鹽以及添加劑，為了滿足鋰離子動(dòng)力電池的安全性要求，要求有機(jī)電解質(zhì)具有良好的熱穩(wěn)定性。當(dāng)前的研究顯示，電池過熱、短路的情況下，有機(jī)溶劑分解以及鋰鹽分解產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物，會(huì)引發(fā)燃燒甚至爆炸，因此有機(jī)電解質(zhì)的閃點(diǎn)必須高于單獨(dú)存在的純?nèi)軇浑娊赓|(zhì)鋰鹽的研究中，LiFAP體系具有更高的熱分解初始溫度，能夠提升SEI膜的穩(wěn)定性；改善鋰離子動(dòng)力電池的安全性的添加劑包括過充添加劑與氧化還原對添加劑，常用防過充添加劑主要為芳香族化合物，在電池充電超過一定電壓時(shí)，能夠發(fā)生繁體聚合，從而增大電阻限制充電電流，比較常見的有二茂鐵及其衍生物、單環(huán)或或多環(huán)芳香族化合物，阻燃添加劑主要包括有利磷化物、有利氟化物等物質(zhì)，通過使有機(jī)電解液變成難燃的物質(zhì)，從而增加電解液的熱穩(wěn)定性。

3、鋰離子動(dòng)力電池安全性測試研究

為了確保鋰離子動(dòng)力電池的安全性，需要對于鋰離子電池進(jìn)行安全性測試，常見的安全性測試包括：（1）過充測試，鋰離子動(dòng)力電池使用過程中，充放電電流大、不宜散熱容易引發(fā)安全問題，因此耐過充能力是影響電池穩(wěn)定性的重要因素，過充測試的研究顯示，電池的過充安全性主要去決定于正極的量；短路測試，電池接小型電阻能夠解決外部短路引發(fā)的安全性問題，針刺試驗(yàn)顯示，內(nèi)部短路測試對于電池安全性尤為重要，因此需要對充電電壓嚴(yán)格限制，避免過充。

4、結(jié)語

鋰離子動(dòng)力電池的熱安全性對于電池的商業(yè)化應(yīng)用具有重要的影響，為了提升電池的熱安全性以及熱穩(wěn)定性，應(yīng)該選擇合適的正負(fù)極材料、電解質(zhì)、粘結(jié)劑以及添加劑，并且采用合適的電機(jī)制造、電池裝配工藝，從而改善電池安全性能，提升鋰離子電池的使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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