浙江立德產(chǎn)品技術(shù)有限公司 李 鎮(zhèn)

時(shí)代不斷發(fā)展，能源科技也在不斷進(jìn)步，鋰離子電池被廣泛應(yīng)用的同時(shí)人們也開始更加的注重其安全性能。如何確保鋰離子電池在應(yīng)用中的安全是鋰離子電池使用中的關(guān)鍵，只有突破了這一技術(shù)瓶頸才能夠更好的將鋰離子電池應(yīng)用于汽車動(dòng)力領(lǐng)域節(jié)省汽油等能源。雖然鋰離子電池的安全性能要遠(yuǎn)優(yōu)于金屬鋰二次電池，但是在生產(chǎn)運(yùn)用方面仍不可避免的存在著問題。在現(xiàn)今注重環(huán)保的大前提下，電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車已經(jīng)被研制并投入到大規(guī)模應(yīng)用中，這些新能源汽車基本都采用鋰離子電池作為動(dòng)力。但是鋰離子電池充放電電流大、散熱性能差等特性容易導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高至不可控狀態(tài)。根據(jù)研究表明，鋰離子電池在重度使用情況下，很可能達(dá)到使其電解質(zhì)氣化的高溫，在這種情況下就容易出現(xiàn)電池冒煙著火爆炸，直至危害到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

由此看來，對(duì)鋰離子電池的安全性研究刻不容緩，只有確保鋰離子電池的安全才能夠擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。確保鋰離子電池的使用安全，也能夠更好的為人們的生活提供便利。

1.關(guān)于鋰離子電池

1.1 什么是鋰離子電池（鋰離子電池的簡介）

鋰離子電池是一種可以反復(fù)充放電的電池，它主要是依靠鋰離子在電池正極和負(fù)極之間的來回交換進(jìn)行工作。在充電和放電的過程中，鋰離子在正負(fù)極之間往返嵌入和脫嵌。在充電的過程中鋰離子生成及脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于鋰離子不斷飽和的狀態(tài)，放電的時(shí)候過程相反。

在這里要注意區(qū)分鋰電池和鋰離子電池，這兩者都是鋰系電池。生活中經(jīng)常使用的手機(jī)和筆記本電腦用的都是鋰離子電池，通常人們會(huì)稱其為鋰電池。鋰離子電池一般采用含有鋰元素的金屬氧化物材料作為正極，這是現(xiàn)代高性能電池的代表。但是真正意義上的鋰電池，由于其危險(xiǎn)性大，很少被應(yīng)用于日常的電子產(chǎn)品中。

1.2 鋰離子電池的歷史

鋰離子電池最早是由日本索尼公司在1990年開發(fā)成功的。在其開發(fā)的鋰離子電池中，負(fù)極由鋰離子嵌入碳(石油焦碳和石墨)中形成 (傳統(tǒng)鋰電池用鋰和鋰合金作為負(fù)極）。正極材料使用LiCoO2,液體電解質(zhì)采用的是LiPF6。石油焦炭和石墨作為負(fù)極材料具有較好的穩(wěn)定性，不含毒性，并且資源充足；LiCoO2作為正極材料有較高的反應(yīng)自由能，合成成本低，因此鋰離子電池迅速進(jìn)入規(guī)模應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，人們也在追求安全性更好，更易于制備，價(jià)格更低的材料用于制作鋰離子電池。如天然石墨，硬質(zhì)炭黑用于負(fù)極，LiMn2O4用于正極，LiPF6＋碳酸乙烯酯(EC)＋碳酸二甲酯(DMC)用于電解質(zhì)，使鋰離子電池的綜合性能都得到了大幅度的提升。

1.3 鋰離子二次電池充、放電時(shí)的反應(yīng)式

1.4 鋰離子電池的區(qū)分

鋰離子電池自身的特性使人容易將其概念混淆因此要進(jìn)行必要的區(qū)分，通常下面幾種鋰電池容易混為一談：

(1)鋰電池：這種電池的負(fù)極是一般的金屬鋰。

(2)鋰離子電池：這種電池的電解液與其他電池不同，使用的是非水液態(tài)有機(jī)電解液。

(3)鋰離子聚合物電池：用聚合物來凝膠化液態(tài)有機(jī)溶劑，或者直接用全固態(tài)電解質(zhì)。

鋰離子電池的負(fù)極與鋰電池不同不是由金屬鋰制成，而是石墨類碳材料。

1.5 鋰離子電池的自身特點(diǎn)

1.5.1 鋰離子電池的工作效率高

鋰離子電池的能量密度大，平均輸出電壓高；自放電小，容量衰減每月在2%以下(可恢復(fù))；沒有記憶效應(yīng)；工作溫度范圍寬，大致在-10℃至50℃之間；循環(huán)性能優(yōu)越，可快速的充放電，充電效率高；而且輸出功率大，使用壽命長。

1.5.2 其自身無毒

鋰離子電池本身不含有毒有害物質(zhì)，被稱為綠色電池。

1.5.3 熱量不易疏散

鋰離子電池在無外加合理散熱措施情況下，重度使用過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，進(jìn)而對(duì)電池造成不可逆的損害，直至產(chǎn)生過熱，起火，爆炸等危險(xiǎn)。如現(xiàn)在的智能手機(jī)都采用的是鋰離子電池，因此在大耗電量程序長時(shí)間運(yùn)行后會(huì)出現(xiàn)手機(jī)燙手的情況。

1.6 從近年來頻發(fā)的事故來看待鋰離子安全問題

從某品牌大巴起火到電動(dòng)出租車起火再到深圳某電池廠爆炸，大家平?？吹降膽K烈的鋰離子電池起火爆炸事故，大多數(shù)是由于人們沒有完全掌握鋰離子電池安全特性進(jìn)而濫用，誤用電池而引起的。安全事故頻發(fā)使人們更加關(guān)注鋰離子電池的安全，采取了很多措施來改進(jìn)其安全特性，希望在安全性與經(jīng)濟(jì)性上找到平衡。

2.鋰離子電池的安全

2.1 制作鋰離子電池最重要的是選用合適的材料，只有材料是安全的才能保證成品的安全

由于鋰離子電池存在著安全隱患所以需要采取一定的保護(hù)措施，一般情況下會(huì)選擇專門的充放電電路對(duì)充放電過程進(jìn)行控制來避免電池超負(fù)荷的工作帶來的壓力，并且會(huì)在電池上安裝安全閥和熱敏電阻。這種方法有一個(gè)特點(diǎn)，那就是只在使用過程中通過外部手段來達(dá)到對(duì)鋰離子電池的保護(hù)，主要是為了避免過度使用出現(xiàn)安全問題。這種方法治標(biāo)不治本，要想做到標(biāo)本兼治，就需要嚴(yán)把材料關(guān)。

2.1.1 負(fù)極材料的安全性。

在上文中提到鋰離子電池的負(fù)極是由石墨類碳材料制成的，在電池工作時(shí)，鋰離子在碳顆粒中嵌入和脫出，這樣一來鋰電子的“運(yùn)動(dòng)量”就被削減了也就減少了熱量的產(chǎn)生，其實(shí)這種做法并不能完全保障電池的使用安全。負(fù)極材料對(duì)鋰離子電池的安全性因素的影響表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面(1)化學(xué)反應(yīng)無處不在因此嵌鋰負(fù)極與電解液會(huì)發(fā)生反應(yīng)。嵌鋰狀態(tài)下的碳負(fù)極會(huì)在溫度的增加的過程中與電解液中的電解質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，一旦發(fā)生反應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)極為危險(xiǎn)的易燃?xì)怏w。綜上可知有機(jī)溶液與碳負(fù)極不匹配可能會(huì)引發(fā)火災(zāi)。(2)負(fù)極中的粘結(jié)劑。一般來說負(fù)極中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%到12%的粘結(jié)劑，在負(fù)極嵌鋰程度增加時(shí)鋰離子與粘結(jié)劑產(chǎn)生反應(yīng)釋放大量的熱。（3）負(fù)極顆粒的大小。負(fù)極活性物質(zhì)顆粒尺寸過小，容易導(dǎo)致負(fù)極電阻過大。但是顆粒過大，在充放電過程中又會(huì)出現(xiàn)膨脹收縮現(xiàn)象，導(dǎo)致負(fù)極衰減失效。目前改進(jìn)鋰離子電池負(fù)極材料的方法是將大小不同的負(fù)極活性顆粒進(jìn)行混合使用，以此達(dá)到降低電極電阻增大容量、提高循環(huán)性能的效果。搜集相關(guān)資料閱讀后筆者得出了經(jīng)過表面氧化、還原或者是摻雜工藝的碳材料或者是使用球形或纖維狀的碳材料也可以作為負(fù)極材料使用。

2.1.2 正極材料的安全性。

正極材料不像負(fù)極材料那樣存在著許多的化學(xué)反應(yīng)，更關(guān)注的是熱穩(wěn)定性和安全性。正極活性物質(zhì)在氧化狀態(tài)時(shí)會(huì)發(fā)生熱分解，產(chǎn)生氧氣，氧氣與電解液會(huì)產(chǎn)生放熱反應(yīng)。正極活性物質(zhì)也能直接與電解液產(chǎn)生反應(yīng)。目前市面上的鋰離子電池的正極活性材料有LiCoO2，也用 LiNiO2或LiMn2O4，盡管采用鈷基或鎳基材料已經(jīng)可以得到較高的質(zhì)量比容量和改善的高溫穩(wěn)定性，但由于猛基材料的價(jià)格低，良好的電化學(xué)性質(zhì)和較好是的安全性，使其雖然質(zhì)量比容量低，循環(huán)或貯存容量衰減率高，仍然受到工業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注與研究，已有研究表明LiMn2O4制備的鋰離子電池承受濫用條件的能力更優(yōu)異。

2.1.3 電解液的安全性

在上文中提到不管是正極還是負(fù)極，其活性物質(zhì)都容易與電解液產(chǎn)生反應(yīng)，因此就需要確保電解液的安全性。電解液由有機(jī)溶劑和無機(jī)導(dǎo)電劑組成，因?yàn)橛袡C(jī)溶劑具有易燃性，所以電解液本身就是影響電池安全性的主要因素。如果選用熔點(diǎn)低，沸點(diǎn)高的有機(jī)溶劑可以使鋰離子電池使用起來更安全可靠。同時(shí)需要對(duì)有機(jī)溶劑中的含水量進(jìn)行量化管理，那是因?yàn)橛袡C(jī)溶劑的純度將直接影響其氧化電位進(jìn)一步影響電解液的穩(wěn)定性。倘若含有大量的水分，就可能在電池首次充放電過程中形成破壞性物質(zhì)，對(duì)SEI膜的穩(wěn)定性起到破壞作用，這樣的電池更容易引發(fā)安全事故。

目前商品化的鋰離子電池會(huì)更多的采用LiPF6作為無機(jī)導(dǎo)電劑,但是這種物質(zhì)也存在著安全隱患，所以就需要找到一種安全性能更高的無機(jī)導(dǎo)電劑來代替它，Li(C4F9SO2)和LiN (CF3SO2)被認(rèn)為是目前比較好的導(dǎo)電劑，這兩種物質(zhì)具有較好的電化學(xué)穩(wěn)定性和高導(dǎo)電率，并且在電位較高的情況下不會(huì)腐蝕鋁集流體。

2.1.4 確保隔膜的安全

隔膜在電池中起著至關(guān)重要的作用:首先它可以將正負(fù)極進(jìn)行隔離避免電池短路；其次隔膜是一種安全裝置，在使用過程中可以充當(dāng)“控制者”如果電池出現(xiàn)過度使用狀況它將主動(dòng)出面切斷電流。根據(jù)市場上的鋰離子電池的組成材料來看，商品化的液體電解質(zhì)鋰離子電池都使用微孔聚烯烴材料作為隔膜材料。目前使用的微孔聚烯烴材料是由聚乙烯、聚丙烯或聚乙烯和聚丙烯的復(fù)合物制成，單獨(dú)使用聚乙烯或聚丙烯都無法達(dá)到理想的安全隔斷，因此。目前隔膜材料的研發(fā)重點(diǎn)都被放到了復(fù)合型多層隔膜上，三層材料（PPE/PE/PPE）已經(jīng)得到發(fā)展，聚丙烯層設(shè)計(jì)為維持隔膜的整體性，熔點(diǎn)低的聚乙烯層用于出現(xiàn)過高溫度時(shí)將電池電化學(xué)反應(yīng)關(guān)閉。

2.2 制作工藝的安全

目前鋰離子電池的制造工藝多為繞包式和疊片式。但是無論鋰離子電池的結(jié)構(gòu)是什么樣的，電池的安全性能都會(huì)受到制造過程的影響。鋰離子電池的制造工藝由正極和負(fù)極混料、涂布、碾壓、裁片、焊接極耳、卷繞或?qū)盈B、注液、封口、化成這幾部分組成。其中的每一道工序都會(huì)影響電池的安全性，所以要從正負(fù)極容量配比、漿料均勻度控制、涂布質(zhì)量控制三個(gè)方面進(jìn)行制作工藝方面的監(jiān)管。

3.結(jié)束語

科技的不斷進(jìn)步，大大擴(kuò)展了鋰離子電池的應(yīng)用范圍，更多的領(lǐng)域開始選用鋰離子電池。鋰離子電池如何更好地作為動(dòng)力被應(yīng)用與汽車方面是當(dāng)前科技研究的重點(diǎn)，許多知名汽車廠商都在努力地開發(fā)純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車，而這些汽車大部分采用的都是鋰離子電池。在我國“863”新能源汽車重大專項(xiàng)研究中，鋰離子電池更是備受重視，不僅促進(jìn)了鋰離子電池行業(yè)的發(fā)展也為鋰動(dòng)力電池的研發(fā)及應(yīng)用開拓了廣闊的市場前景。但是目前而言鋰離子電池作為動(dòng)力電池的使用還并不完美，動(dòng)力型鋰離子電池的質(zhì)量和體積非常大，放電狀況復(fù)雜，對(duì)散熱條件及充放電過程控制有較為苛刻的要求。但隨著一系列長壽命，高安全鋰離子電池材料的推廣應(yīng)用，電源管理技術(shù)的成熟，鋰離子電池必會(huì)在未來發(fā)揮巨大的作用。

[1]李靈杰.廈門大學(xué)報(bào),2008,45(5):673.

[2]雷磊,蓋曉東.電子電力技術(shù),2009,43(8):56.