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锂离子电池安全性研究及影响因素

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-11-22  来源:中国锂电网(中国锂电池网)  浏览次数:3028
  在科技飞速发展的今天,各种移动的电子设备在人类生活中大量应用,锂电池也随之迅速发展成为二次电池领域中重要的一个产业。
  锂电池在比容量、无记忆效应、长寿命、环保等综合性能远远超过其他二次电池,锂电池被称为终极电池,但为什么在大容量电池领域却没有见到锂电池的身影呢?关键问题是受到锂电池的安全性问题的制约。锂离子电池最大的安全隐患爆炸、漏液等。
  一、产生的原因
  1、内部短路:是锂离子电池的最大的隐患产生的原因,是在锂离子电池生产过程中,由于正负极片出现的毛刺、破损、掉粉、气泡等多方面原因,出现次品,在使用过程中,在过充的情况下(甚至正常充放电时),锂离子在负极堆积形成枝晶,刺穿隔膜,形成内部短路。
  2、产生大电流:外部短路,内部短路将产生几百安培甚至更大的过大电流。i.外部短路时,由于外部负载过低,电池瞬间大电流放电。在内阻上消耗大量能量,产生巨大热量。ii.内部短路,主要原因是隔膜被穿透,内部形成大电流,温度上升导致隔膜熔化,短路面积扩大,进而形成恶性循环而使产生爆炸或其他安全问题;
  3、气体的产生:锂离子电池为达到单只电芯3.0-4.2V的高工作电压(镍氢和镍硌电池工作电压为1.2V,铅酸电池工作电压为2V),必须采取分解电压大于2V的有机电解液,而采用有机电解液在大电流,高温的条件下会被电解,电解产生气体,导致内部压力升高,严重会冲破壳体。
  4、燃烧:热量来源于大电流,同时在高电压(超过5V)情况下,正极锂的氧化物也会发生氧化反应,析出金属锂,在气体导致壳体破裂的情况下,与空气直接接触,导致燃烧,同时引燃电解液,发生强烈火焰,气体急速膨胀,发生爆炸。
  5、外因作用:如:针刺和撞击温度升高,气体急速膨胀,发生爆炸。
  二、采取的措施
  1、隔膜的遮断电流防止电池的安全隐患起了关键作用,隔膜是短路情况下的保护带,即隔膜在大约130度时电阻会突然增大,从而阻止锂离子在之间传输,隔膜在130度以上时,其保护带越安全。
  电池使用不当(如短路、过充等)致使其温度的升高将使得隔膜的电阻可能增加2~3个量级。隔膜不仅要求在130℃左右能够电流遮断,而且要求其在更高的温度下能够保持其软化完整性,高温的软化完整性对于在长时间的过充或者是长时间暴露在高温环境下的电池安全性能来说同样十分重要。
  电池充电控制系统未能即时正确地反馈电池电压时或者电池充电器损坏等原因,这时候电池就会存在过充电现象。当过充电发生时,在正极材料中的锂离子继续被脱出而嵌入到负极材料中去,如果达到了碳负极嵌锂的最大限度时,那么多余的锂则会以金属锂的形式沉积在碳负极材料上,这样使得电池的热稳定性能大大降低。因为焦耳热是与I2R成正比的,所以在较高的倍率充放条件下,产生的热量就会大量的增加。随着温度的升高,电池内部的几个放热反应(如锂和电池电极间的反应,正负极材料的热分解反应以及电解液的热分解反应等)可能发生。隔膜的电流遮断功能在电池温度达到聚乙烯的熔点附近时发生作用。隔膜的微孔一旦由于其软化而坍塌或封闭时,电池则不能再进行充放电了。如再继续进行过充,虽然隔膜能够保持其电流遮断特性,但这时电池不允许再升温。
  为防止内部短路,隔膜不能允许任何枝晶穿透。当电池发生内部短路时,如果这种故障不是瞬间发生的,那么隔膜就是唯一能够防止电池热失控的装臵.但是,如果升温速率太快,故障在瞬间发生,隔膜就不能起到遮断电流的作用;如果升温速率不是很高,则隔膜的电流遮断功能就能够起到控制升温速率进一步阻止电池热失控的作用。
  针刺,当钉子钉入电池时就会发生瞬间内部短路。这是因为在钉子和电极之间形成的回路间的电流会产生大量的热所致。钉子和电极间的接触面积的热量也就越大。当局部产生的热量导致电解液和电极材料分解时,热失控就会发生。另一方面,如果电池被完全穿透,那么接触面积的增加就会减小电流密度,由于电极与钉子间的接触面积小于其与金属集流体之间的接触面积,所以内部短路电流比外部短路时要大得多。
  当钉子穿过时,电压从4.2V瞬时突降至0V,同时电池的温度升高。当升温速率较低时,在电池温度接近隔膜的电流遮断温度时就会停止升温;如果升温速率太快,会在达到隔膜电流遮断温度时,电池还将继续升温,隔膜的电流遮断也就失去了其功能。这种情况下,隔膜的电流遮断来不及作用阻止电池的热失控。
  撞击,隔膜的作用仅仅是延迟内部短路造成的热失控。具有高温软化完整性和电流遮断功能的隔膜需通过内部短路测试。用在高容量电池中的薄隔膜所展示的各种性能也必须与较厚的隔膜相似。隔膜的机械强度损失需要通过电池的设计进行平衡,而隔膜在横向和纵向的性质也必须一致以保证电池在非正常使用时的安全性。
  2、电池钢壳的刻痕:电芯入壳后,要对电池进行冲槽操作,使电池外壳上有刻痕,当故障发生时,气体急速膨胀,冲破刻痕气体放出,对电池发生爆炸起到了保护作用。
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