近些年，由于鋰電池包安全問(wèn)題引發(fā)的事故比比皆是，很多問(wèn)題造成的后果觸目驚心，給鋰電池的安全性問(wèn)題再次敲響了警鐘。本文存能電氣小編就來(lái)和大家分享干貨——鋰電池包的安全性、檢測(cè)及解決方案，請(qǐng)收好啦!

一、鋰電池包的組成及工作原理

鋰電池包主要由正極、負(fù)極、電解液、隔膜以及外部連接、包裝部件構(gòu)成。其中，正極、負(fù)極包含活性電極物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑等，均勻涂布于銅箔和鋁箔集流體上。

在充電過(guò)程中，電池內(nèi)部，鋰以離子形式從正極脫出，由電解液傳輸穿過(guò)隔膜，嵌入到負(fù)極中;電池外部，電子由外電路遷移到負(fù)極。在放電過(guò)程中：電池內(nèi)部鋰離子從負(fù)極脫出、穿過(guò)隔膜，嵌入到正極中;電池外部，電子由外電路遷移到正極。隨著充、放電，遷移于電池間的是“鋰離子”，而非單質(zhì)“鋰”，因此電池被稱(chēng)為“鋰離子電池”。

二、鋰電池的安全隱患

一般來(lái)說(shuō)，鋰電池包出現(xiàn)安全問(wèn)題表現(xiàn)為燃燒甚至爆炸，出現(xiàn)這些問(wèn)題的根源在于電池內(nèi)部的熱失控，除此之外，一些外部因素，如過(guò)充、火源、擠壓、穿刺、短路等問(wèn)題也會(huì)導(dǎo)致安全性問(wèn)題。

1、正極材料的安全隱患

當(dāng)鋰電池包使用不當(dāng)時(shí)，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度的升高，使正極材料會(huì)發(fā)生活性物質(zhì)的分解和電解液的氧化。同時(shí)，這兩種反應(yīng)能夠產(chǎn)生大量的熱，從而造成電池溫度的進(jìn)一步上升。不同的脫鋰狀態(tài)對(duì)活性物質(zhì)晶格轉(zhuǎn)變、分解溫度和電池的熱穩(wěn)定性影響相差很大。

2、負(fù)極材料的安全隱患

早期使用的負(fù)極材料是金屬鋰，組裝的電池在多次充放電后易產(chǎn)生鋰枝晶，進(jìn)而刺破隔膜，導(dǎo)致電池短路、漏液甚至發(fā)生爆炸。嵌鋰化合物能夠有效避免鋰枝晶的產(chǎn)生，大大提高鋰離子電池的安全性。隨著溫度的升高，嵌鋰狀態(tài)下的碳負(fù)極首先與電解液發(fā)生放熱反應(yīng)。相同的充放電條件下，電解液與嵌鋰人造石墨反應(yīng)的放熱速率遠(yuǎn)大于與嵌鋰的中間相碳微球、碳纖維、焦碳等的反應(yīng)放熱速率。

3、隔膜與電解液的安全隱患

鋰電池的電解液為鋰鹽與有機(jī)溶劑的混合溶液，其中商用的鋰鹽為六氟磷酸鋰，該材料在高溫下易發(fā)生熱分解，并與微量的水以及有機(jī)溶劑之間進(jìn)行熱化學(xué)反應(yīng)，降低電解液的熱穩(wěn)定性。電解液有機(jī)溶劑為碳酸酯類(lèi)，這類(lèi)溶劑沸點(diǎn)、閃點(diǎn)較低，在高溫下容易與鋰鹽釋放PF5的反應(yīng)，易被氧化。

4、制造工藝中的安全隱患

鋰電池在制造過(guò)程中，電極制造、電池裝配等過(guò)程都會(huì)對(duì)電池的安全性產(chǎn)生影響。如正極和負(fù)極混料、涂布、輥壓、裁片或沖切、組裝、加注電解液的量、封口、化成等諸道工序的質(zhì)量控制，無(wú)一不影響電池的性能和安全性。漿料的均勻度決定了活性物質(zhì)在電極上分布的均勻性，從而影響電池的安全性。漿料細(xì)度太大，電池充放電時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)極材料膨脹與收縮比較大的變化，可能出現(xiàn)金屬鋰的析出;漿料細(xì)度太小會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻過(guò)大。涂布加熱溫度過(guò)低或烘干時(shí)間不足會(huì)使溶劑殘留，粘結(jié)劑部分溶解，造成部分活性物質(zhì)容易剝離;溫度過(guò)高可能造成粘結(jié)劑炭化，活性物質(zhì)脫落造成電池內(nèi)部短路。

5、電池使用過(guò)程中的安全隱患

鋰電池包在使用過(guò)程中應(yīng)該盡可能減少過(guò)充電或者過(guò)放電，特別對(duì)于單體容量高的電池，因熱擾動(dòng)可能會(huì)引發(fā)一系列放熱副反應(yīng)，導(dǎo)致安全性問(wèn)題。

三、鋰離子電池安全檢測(cè)指標(biāo)

鋰離子電池生產(chǎn)出來(lái)后，在到達(dá)消費(fèi)者手中之前，還需要進(jìn)行一系列檢測(cè)，以盡量保證電池的安全性，降低安全隱患。

1、擠壓測(cè)試：

將充滿電的電池放在一個(gè)平面上，由油壓缸施與13±1KN的擠壓力，由直徑為32mm的鋼棒平面擠壓電池，一旦擠壓壓力到達(dá)最大停止擠壓，鋰電池不起火，不爆炸即可。

2、撞擊測(cè)試：

鋰電池充滿電后，放置在一個(gè)平面上，將直徑15.8mm的鋼柱垂直置于電池中心，將重量9.1kg的重物從610mm的高度自由落到電池上方的鋼柱上。電池不起火、不爆炸即可。

3、過(guò)充測(cè)試：

將電池用1C充滿電，按照3C過(guò)充10V進(jìn)行過(guò)充試驗(yàn)，當(dāng)電池過(guò)充時(shí)電壓上升到一定電壓時(shí)穩(wěn)定一段時(shí)間，接近一定時(shí)間時(shí)電池電壓快速上升，當(dāng)上升至一定限度時(shí)，電池高帽拉斷，電壓跌至0V，電池沒(méi)有起火、爆炸即可。

4、短路測(cè)試：

將電池充滿電后用電阻不大于50mΩ的導(dǎo)線將電池正負(fù)極短路，測(cè)試電池的表面溫度變化，電池表面最高溫度為140℃，電池蓋帽拉開(kāi)，鋰電池不起火、不爆炸。

5、針刺測(cè)試：

將充滿電的電池放在一個(gè)平面上，用直徑3mm的鋼針沿徑向?qū)㈦姵卮檀y(cè)試電池不起火、不爆炸即可。

6、溫度循環(huán)測(cè)試：

鋰離子電池溫度循環(huán)試驗(yàn)是用來(lái)模擬鋰離子電池在運(yùn)輸或貯存過(guò)程中，反復(fù)暴露在低溫和高溫環(huán)境下，鋰離子電池的安全性，試驗(yàn)是利用迅速和極端的溫度變化進(jìn)行的。試驗(yàn)后樣品應(yīng)不起火、不爆炸、不漏液。

四、鋰電池包安全性解決方案

針對(duì)鋰離子電池在材料、制造和使用過(guò)程中的諸多安全隱患，如何對(duì)容易產(chǎn)生安全問(wèn)題的部分進(jìn)行改進(jìn)，是鋰離子電池制造商需要解決的問(wèn)題。

1、提高電解液的安全性

通過(guò)加入功能添加劑、使用新型鋰鹽以及使用新型溶劑可以有效解決鋰電池包電解液的安全隱患。

根據(jù)添加劑功能的不同，主要可以分為以下幾種：安全保護(hù)添加劑、成膜添加劑、保護(hù)正極添加劑、穩(wěn)定鋰鹽添加劑、促鋰沉淀添加劑、集流體防腐添加劑、增強(qiáng)浸潤(rùn)性添加劑等。

對(duì)于溶劑方面，很多研究者提出了一系列新型的有機(jī)溶劑，如羧酸酯、有機(jī)醚類(lèi)有機(jī)溶劑。另外，離子液體也有一類(lèi)安全性高的電解液，但是相對(duì)普遍使用的碳酸酯類(lèi)電解液，離子液體的粘度高個(gè)數(shù)量級(jí)，電導(dǎo)率、離子自擴(kuò)散系數(shù)較低，離實(shí)用化還有很多工作要做。

2、提高電極材料的安全性

磷酸鐵鋰電池包以及三元復(fù)合材料被認(rèn)為是成本低廉、“安全性優(yōu)良”的正極材料，有可能在電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中普及應(yīng)用。對(duì)于正極材料，提高其安全性的常見(jiàn)方法為包覆修飾，如用金屬氧化物對(duì)正極材料進(jìn)行表面包覆，可以阻止正極材料與電解液之間的直接接觸，抑制正極物質(zhì)發(fā)生相變，提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，降低晶格中陽(yáng)離子的無(wú)序性，以降低副反應(yīng)產(chǎn)熱。

對(duì)于負(fù)極材料，由于其表面的往往是鋰電池中最容易發(fā)生熱化學(xué)分解并放熱的部分，因此提高SEI膜的熱穩(wěn)定性是提高負(fù)極材料安全性的關(guān)鍵方法。通過(guò)微弱氧化、金屬和金屬氧化物沉積、聚合物或者碳包覆，可以提高負(fù)極材料熱穩(wěn)定性。

3、改善電池的安全保護(hù)設(shè)計(jì)

除了提高電池材料的安全性，如設(shè)置電池安全閥、熱溶保險(xiǎn)絲、串聯(lián)具有正溫度系數(shù)的部件、采用熱封閉隔膜、加載專(zhuān)用保護(hù)電路、專(zhuān)用電池管理系統(tǒng)等，也是增強(qiáng)安全性的手段。