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鋰電池安全技術很重要,這幾個方面一定要考慮到

作者:中國儲能網新聞中心 來源:鋰電派 發布時間:2019-10-19 瀏覽:
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綜述了鋰離子電池的危險性,分析了產生鋰離子電池產品安全問題的原因。從材料、設計和工藝3個角度,簡要地介紹了一些常用的安全技術,并提出了一些安全性設計的實例。

一、 鋰離子電池的危險性

鋰離子電池從其自身的化學特性和體系組成上,決定了其是一種具有潛在危險的化學電源。

1 化學活性高

鋰是元素周期表第二周期第I主族元素,具有極活潑的化學性質。

2 能量密度高

鋰離子電池比能量極高(≥140Wh/kg),是鎳鎘、鎳氫等二次電池的數倍,若發生熱失控反應,就會放出很高的熱量容易導致不安全行為的發生。

3 采用有機電解質體系

有機電解質體系的有機溶劑是碳氫化合物,分解電壓較低,易發生氧化,并且溶劑易燃;若出現泄漏等情況,則會引起電池著火,甚至燃燒、爆炸。

4 副反應概率大

鋰離子電池在正常使用的過程中,其內部進行電能與化學能相互轉化的化學正反應。但在某些條件下,如對其過充電、過放電或過電流工作時,就很容易會導致電池內部發生化學副反應;該副反應加劇后,會嚴重影響電池的性能與使用壽命,并可能產生大量的氣體,使電池內部的壓力迅速增大后爆炸起火而導致安全問題。

5 電極材料的結構不穩定

鋰離子電池過充電反應會使正極材料的結構發生變化而使材料具有很強的氧化作用,使電解液中的溶劑發生強烈的氧化;并且這種作用是不可逆的,反應引發的熱量如果積累則會存在引發熱失控 的危險。

二、鋰離子電池產品安全問題原因分析

鋰離子電池產品經過30年的產業化發展,安全技術取得了長足的進步,有效地控制了電池內副反應的發生,保證了電池的安全性。但是,隨著鋰離子電池的使用越來越廣泛,能量密度越來越高,近年來還是屢屢發生爆炸傷人或因安全隱患召回產品等事件。我們總結造成鋰離子電池產品安全問題的原因主要有以下幾點:

1 電芯材料問題

電芯所用的材料包括:正極活性物質、負極活性物質、隔膜、電解質和外殼等,材料的選用和所組成體系的匹配決定著電芯的安全性能。在選用正、負極活性材料和隔膜材料時,廠家沒有對原材料特性和匹配性進行一定的考核,造成了電芯安全性的先天不足。

2 生產工藝問題

電芯原材料檢測不嚴,生產環境差,導致生產中混入雜質,不僅對電池的容量有較大的不利,對電池的安全性也有很大的影響;另外,電解液中如果混入了過多的水分, 可能就會發生副反應而增大電池內壓,對安全造成影響;由于生產工藝水平的限制, 在電芯的生產過程中,產品無法達到良好的一致性,比如電極基體平整度差、電極活性材料出現脫落、活性材料中混入其它雜質、極耳焊接不牢、焊接溫度不穩定、極片邊緣有毛刺以及關鍵部 位無使用絕緣膠帶等問題,都可能會對電芯的安全 性帶來不利的影響。

3 電芯設計缺陷,安全性能降低

在結構設計上,許多對安全有影響的關鍵點沒有被廠家重視,如關鍵部位沒有絕緣膠帶,隔膜設計沒有留有余量或余量不足,正負極容量比設計不合理,正負極活性物質面積比設計不合理,極耳長度設計不合理等,這些都可能對電池的安全性埋下隱患。另外在電芯的生產過程中,一些電芯生產廠家為了節省成本和提高性能,盡量節省和壓縮原材料,如減少隔膜面積、減薄銅箔、鋁箔以及不使用泄壓閥、不使用絕緣膠帶等,這些都會降低電池的安全性。

4 能量密度過高

目前市場上都在追求更高容量的電池產品,廠家為了增加產品競爭力,不斷提高鋰離子電池的體積比能量,這在很大程度上增加了電池的危險性。

三、安全技術

雖然鋰離子電池具有諸多危險隱患,但是在特定的使用條件下,以及采用一定的措施是可以有效地控制電芯內副反應和劇烈反應的發生,保證其使用安全的。下面就簡單介紹幾種鋰離子電池常用的安全技術。

1 選用安全系數更高的原材料

選用安全系數更高的正負極活性材料、隔膜材料和電解液。

a)正極材料的選擇

正極材料的安全性主要基于以下3個方面:

1 材料的熱力學穩定性;

2 材料的化學穩定性;

3 材料的物理性能。

b)隔膜材料的選擇

隔膜的主要作用是將電池的正、負極分隔開,防止正負極接觸而短路,同時具有使電解質離子通過的能力,即具有電子絕緣性和離子導通性。鋰離子電池選用隔膜時應注意以下幾點:

1 具有電子絕緣性,保證正負極的機械隔離;

2 有一定的孔徑和孔隙率,保證低的電阻和高的離子電導率;

3 隔膜材料具有足夠的化學穩定性,必須耐電解液腐蝕;

4 隔膜要有自動關斷保護的功能 ;

5 隔膜的熱收縮率和變形性要盡可能地小;

6 隔膜要具有一定的厚度;

7 隔膜要具有較強的物理強度并有足夠大的抗穿刺的能力。

c)電解液的選擇

電解液是鋰離子電池的重要組成部分,在電池正負極之間起著輸送和傳導電流的作用。鋰離子電池使用電解液是以適當的鋰鹽溶解在有機非質子混合溶劑中而形成的電解質溶液。它通常應滿足以下幾方面的要求:

1 化學穩定性好, 與電極活性物質、集流體和隔膜不發生化學反應;

2 電化學穩定性好,具有較寬的電化學窗口;

3 鋰離子電導率高,電子電導率低;

4 液態溫度范圍寬;

5 安全無毒,對環境友好。

2 加強電芯整體安全性設計

電芯是將電池各種物質組合起來的紐帶,是正極、負極、隔膜、極耳和包裝膜等系統之集成,電芯結構設計,不單影響到各種材料性能的發揮,還對電池的整體電化學性能、安全性能產生重要的影響。材料的選擇與電芯結構設計正是一種局部與整體的關系,在電芯設計上,應該結合材料特性來制定合理的結構模式。

另外,在鋰電池結構上還可以考慮一些額外的保護裝置,常見的保護機構設計有以下幾種:

1 采用開關元件,當電池內的溫度上升時,它的阻值隨之上升,當溫度過高時,會自動停止供電;

2 設置安全閥(就是電池頂部的放氣孔),電池內部壓力上升到一定的數值時,安全閥自動打開,保證電池的使用安全性。

下面對電芯結構的安全設計提出一些實例:

a) 正負極容量比和設計大小片

根據正負極材料的特性來選擇合適的正負極容量比,電芯的正負極容量的配比是關系到鋰離子電池安全性的重要環節,正極容量過大將會出現金屬鋰在負極表面沉積, 而負極過大電池的容量會有較大的損失。一般而言,N/P=1.05~1.15,并根據實際的電池容量和安全性要求進行適當的選擇。設計大小片,使負極膏體(活性物質) 位置包住(大于)正極膏體位置,一般寬度應大1~5 mm,長度應大5~10 mm。

b) 隔膜寬度留有余量

隔膜寬度設計的總體原則是防止正負極片直接接觸而發生內部短路,由于電池在充放電過程中和熱沖擊等環境下,隔膜的熱收縮性導致隔膜在長度和寬度方向上發生變形,隔膜褶皺的區域由于正負極間的距離增大,致使極化增大;隔膜拉伸的區域由于隔膜變薄而使微短路的可能性加大;隔膜邊緣區域的收縮則可能導致正負極直接接觸而發生內短路,這些都會使電池因熱失控而發生危險。因此,在設計電池時,在隔膜的面積和寬度的使用上必須考慮其收縮特性,隔離膜要比陽極、陰極大。考慮在工藝誤差外,隔離膜必須比極片外邊長至少0.1mm。

c) 絕緣處理

內短路是鋰離子電池存在安全性隱患的重要因素,在電芯的結構設計中存在很多引發內短路的潛 在危險部位,因此應該在這些關鍵位置設置必要的措施或者絕緣,以防止在異常情況下發生電池內短路,比如:正負極耳間保持必要的間距;收尾單面中間無膏體位需貼絕緣膠帶,并將裸露部分全部包住;正極鋁箔和負極活性物質之間貼絕緣膠帶;應用絕緣膠帶將極耳焊接部分全部包住;電芯頂部采用絕緣膠帶等。

d) 設置安全閥 (泄壓裝置)

鋰離子電池發生危險,常常是因為內部溫度過高或壓力過大而引發爆炸、起火;設置合理的泄壓裝置,能在危險發生時迅速釋放電池內部的壓力和熱量,減少爆炸危險。合理的泄壓裝置要求既能滿足電池正常工作時的內壓又能在內壓達到危險極限的時候自動打開而泄放壓力,泄壓裝置的設置位置 需要考慮電池外殼因內壓增大所產生形變的特性來設計;安全閥的設計可以通過薄片、邊緣、接縫和刻痕等來實現。

3 提高工藝水平

努力做好電芯生產過程中的標準化和規范化。在混料、涂布、烘烤、壓實、分切和卷繞等步驟中,制定標準化(如隔膜寬度、電解液注液量等),改進工藝手段(如低氣壓注液法、離心裝殼法等),做好工藝控制,保證工藝質量,縮小產品間的差異;在對安全有影響到關鍵步驟設置特殊工步(如去極片毛刺、掃粉、對不同的材料采用不同的焊接方法等),實施標準化質量監控,消除缺陷部位,排除有缺陷產品(如極片變形、隔膜刺破、活性材料脫落和電解液泄漏等);保持生產場所的整潔、清潔, 實施5S管理和6-sigma質量控制,防止生產中混入雜質和水分,盡量減少生產中的意外情況對安全性的影響。

作者/彭琦

關鍵字:鋰電池 安全性

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