鋰離子動力電池熱安全性研究進展

萬軍

摘要：鋰離子因為其優異性能在各方面得到廣泛的應用，但是在使用過程中，鋰離子電池的熱穩定性、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力電池熱模型以及電能測試進行研究，對于提升電池安全性能的方式進行探討。

關鍵詞：鋰離子電池；熱安全型；進展

1、前言

1995年索尼公司開發了用于電動車的鋰離子蓄電池，當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，當前的廣泛應用于電動車的電池包括HEV高功率鋰電池（容量為22Ah，8只串聯成電池模塊）與BEV高能行鋰電池（容量為100Ah的圓柱形單體電池，8只串聯成一個電池模塊）。鋰電池雖然得到了廣泛的用途，但是因為其充放電過程中存在多種化學、物質傳輸以及電化學反應，而且充放電電流密度大，散熱條件差，容易引發熱穩定性安全問題。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受到影響，使用溫度每升高1℃，鋰電池的使用壽命減低2個月，除了使用壽命受到影響之外，因為短路、高溫等情況會引發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從事鋰離子動力電池的研究，鋰離子動力電池的熱安全性是影響電池使用的重要因素，為了提升鋰離子動力電池的大規模商業化發展，需要對其熱安全性進行研究。本文從鋰離子動力電池的電池材料、制造工藝以及電熱管理等方面對電池熱安全性的研究進展進行綜述，期望為相關研究提供參考。

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率為2C，但是動力性鋰離子電池要求達到8C以上，電池材料的穩定性對于鋰離子動力電池安全性具有重要的影響。與一般的鋰離子電池相比，動力性鋰離子電池的大電流放電會導致放電容量下降，從而造成局部發熱，引發電池中的化學反應以及分解反應，從而產生大量氣體，導致電池內容部的壓力升高，短時間劇集熱量引發電池燃燒爆炸。發生于鋰離子動力電池中的放熱反應包括整機、負極、電解質的熱分解反應以及有機電解液在正負極發生的氧化還原反應。為了了解電池內部材料的高溫反應，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行材料熱安全性研究。

2.1 正極材料

正極材料與點解材料之間的高溫反應是造成電池不安全性的主要因素，當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定性，研究表明電解液與正極材料之間普遍存在放熱反應，而且LiCoO2的容量較高，但是相應的循環性能較差，熱穩定性較差；橄欖石LiFePO4的熱穩定性適中，電化學性能優異。相比較而言，LiFePO4的來源豐富、價格較低，熱穩定最佳，是制備鋰離子動力電池的理想材料。為了提升鋰電池動力電池熱安全性能，應該在熱反應溫度、放熱量的研究基礎上，采用符合技術、涂層技術等技術，改進合成方法，提升材料的熱穩定性。

2.2 負極材料

早期鋰離子電池的的負極材料為金屬鋰，因為金屬鋰在多次充放電過程中容易產生鋰枝晶，該晶體會造成電池短路，從而引發爆炸事故。為了提升鋰離子動力電池的使用安全性，避免產生鋰枝晶，當前通常采用嵌鋰化合物作為鋰離子電池的負極材料，常用的有鋰離子嵌入碳化合物，將石油焦炭、碳纖維、石墨作為負極材料。鋰離子嵌入碳化合物的負極材料具有較為穩定的物理化學性質，但是隨著溫度的升高，鋰離子嵌入碳化合物的碳負極將首先與電解液發生放熱反應，容易生成易燃氣體，從而影響鋰離子電池的安全性。對于碳負極材料的研究顯示，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沉積在負極表面形成的鈍化膜稱之為SEI膜，SEI膜的質量對于鋰離子動力電池的充放電性能與安全性具有直接的影響；負極材料中的粘結劑對電池溫度升高時會與負極活性材料發生劇烈的放熱反應，是影響鋰離子動力電池的熱安全性的關鍵因素，因此需要合理的選擇粘結劑的種類以及含量。

2.3 有機電解液

鋰離子動力電池的有機電解液包括溶劑、電解質鋰鹽以及添加劑，為了滿足鋰離子動力電池的安全性要求，要求有機電解質具有良好的熱穩定性。當前的研究顯示，電池過熱、短路的情況下，有機溶劑分解以及鋰鹽分解產生的氣體產物，會引發燃燒甚至爆炸，因此有機電解質的閃點必須高于單獨存在的純溶劑；電解質鋰鹽的研究中，LiFAP體系具有更高的熱分解初始溫度，能夠提升SEI膜的穩定性；改善鋰離子動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，能夠發生繁體聚合，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、單環或或多環芳香族化合物，阻燃添加劑主要包括有利磷化物、有利氟化物等物質，通過使有機電解液變成難燃的物質，從而增加電解液的熱穩定性。

3、鋰離子動力電池安全性測試研究

為了確保鋰離子動力電池的安全性，需要對于鋰離子電池進行安全性測試，常見的安全性測試包括：（1）過充測試，鋰離子動力電池使用過程中，充放電電流大、不宜散熱容易引發安全問題，因此耐過充能力是影響電池穩定性的重要因素，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的安全性問題，針刺試驗顯示，內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格限制，避免過充。

4、結語

鋰離子動力電池的熱安全性對于電池的商業化應用具有重要的影響，為了提升電池的熱安全性以及熱穩定性，應該選擇合適的正負極材料、電解質、粘結劑以及添加劑，并且采用合適的電機制造、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值。

參考文獻

[1]吳凱，張耀，曾毓群，等.鋰離子電池安全性能研究[J].化學進展.2011.23（2/3）：40l-409.

[2]劉伶，張乃慶，孫克寧，等.鋰離子電池安全性能影響因素分析[J].稀有金屬材料與工程，2010，39（5）：936-940.