基于單體鋰離子的電池安全技術在新能源汽車中的應用

段 利

（安徽安環康檢測科技有限公司，安徽蕪湖 241003）

隨著新能源汽車行業的快速發展，電動車也成為新能源汽車的重要主體，電池則屬于非常重要的動力來源，且以鋰離子電池為主。鋰離子電池具有較長的使用年限，且能量相對較高，自放頻率相對較低等，所以，鋰離子電池也成了新能源汽車非常重要的選擇。鋰離子電池的廣泛應用，也面臨著相應的安全性能問題，電池安全技術的科學應用，是新能源汽車應用鋰離子電池需要重點關注與研究的焦點，對新能源汽車產業的發展具有重要的影響和作用。

1 新能源汽車的鋰離子電池應用狀況

1.1 發展前景好，技術需完善

同其他新能源進行對比，鋰離子電池已歷經了幾十年的研究發展與實際應用，電池性能與質量等方面均體現出相應的優勢特點。大部分研究人員均希望通過對鋰離子電池應用技術的優化與完善，切實推動電池技術以及新能源汽車產業的良好發展。不過，針對鋰離子電池的科學研發，面臨著相應的困難，如鋰離子電池生產所需的少數關鍵原材料，依然需要以國外進口方式為主，少數生產工藝以及設備同樣需以國外引進方式為主，這也在極大程度上對鋰離子電池科學研發以及生產制造產生嚴重的制約。鑒于此，鋰離子電池盡管具有較為可觀的發展前景，不過具體應用期間，依然需研究人員開展更加深入的科學研究，對鋰離子電池應用技術進行不斷的優化完善，為在新能源汽車中的應用提供可靠保障[1]。

1.2 比能量不足，充當輔動力

比能量，即對電池釋放能力進行解釋說明的基本概念。鋰離子電池比能量相對越高，可以為新能源汽車提供充足的動力保障。通過對鋰離子電池應用進行科學分析，能夠得知鋰離子電池比能量依然存有不足的地方，從而致使新能源汽車續航里程無法達到更高的級別。因此，對于鋰離子電池存在的比能量不足問題，現階段，也開發研制出混合動力汽車，應用鋰離子電池充當輔助動力，節約燃油量。同時，有關人員應重視對鋰離子電池比能量進行深入科學研究，以此實現對此方面的有效突破，為鋰離子電池的廣泛應用奠定重要 基礎。

1.3 使用范圍廣，電池種類多

鋰離子電池盡管存在相應的不足和問題，但現階段依然具有非常廣泛的應用范圍，大部分國家也重視對鋰離子電池的深入科學研究，并大范圍進行規模化使用。通過對鋰離子電池制作材料進行科學研究，能夠得知，當前，全球范圍內有關鋰離子電池應用，基于材料層面可劃分成錳酸鋰、鈷酸鋰、鈦酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等類型。其中，鈷酸鋰適用于小容量電池需求，其他類型則可適用于大容量需求，并在新能源汽車中有著重要應用[2]。

2 鋰離子電池安全技術的應用

2.1 選用較高安全系數原材料

選用安全系數相對高的正負極或活性材料與隔膜材料以及電解液。

2.1.1 正極材料選擇

正極材料安全性涵蓋如下方面：①熱力學穩定性；②化學穩定性；③物理性能。現階段，正極材料使用較多的 則 是LiMn2O4、LiCoO2、LiFePO4、LiNiO2等。 通 常 而言，此類正極材料所具有的熱穩定性關系順序為LiNiO2＜ LiCoO2＜LiMn2O4＜LiFePO4。同時，粒徑相對較大的LiCoO2所具有的熱穩定性，明顯優于粒徑相對較小的情況[3]。

2.1.2 隔膜材料選擇

隔膜所具有的關鍵作用在于，對電池正負極進行有效隔開，避免正負極發生接觸產生短路情況。同時，有利于電解質離子的順利通過，即具備電子絕緣性以及離子導通性。鋰離子電池對隔膜的選用，需關注如下方面：第一，具備電子絕緣性特點，可以實現對正負極進行機械隔離；第二，具備相應的孔徑以及孔隙率，且具備相對較低的電阻以及相對較高的離子電導率，對鋰離子具有良好的透過性。同時，孔隙不宜過大，以防產生微短路現象，孔徑通常介于0.01～0.1μm；第三，隔膜材料需具備良好的化學穩定性，需耐電解液腐蝕；第四，隔膜需具備自動關斷保護功能，高溫條件情況，應當具備良好的絕緣性，電池受意外事故影響出現明顯升溫，隔膜空隙受熱出現融化閉合，對鋰離子流動形成有效組織，對電流進行快速切斷，避免出現爆炸等危險事故，基于IEEE 1725推薦，隔離膜應當可以處于150℃以下，保持不低于10min 的絕緣性；第五，隔熱收縮率與變形性應當保證足夠小；第六，隔膜應保證相應的厚度，通常情況下，鋰離子電池選用的隔膜，厚度應不超過25μm，動力電池則需適當增加厚度，不超過40μm；第七，隔膜應具備良好的物理強度以及抗刺穿能力，以防被部分顆粒刺穿薄膜，導致局部發生短路。垂直極片方向，可承受標準工作操作不出現破壞。

2.1.3 電解液選擇

電解液屬于鋰離子電池非常關鍵的構成，在電池正負極間起到傳輸與傳導電流的重要作用。鋰離子電池選用的電解液，使鋰鹽溶解于有機質非質子混合溶劑，以此形成電解質溶液。通常情況下，需滿足如下標準：第一，具有良好的化學穩定性，同電極活性物質與隔膜以及集流體等無法發生化學反應；第二，具有良好的電化學穩定性，且電化學窗口相對較寬；第三，鋰離子電導率相對較高，電子電導率則相對較低；第四，液態溫度范圍足夠寬；第五，安全且無毒，不會對環境造成污染影響，對環境友好[4]。

2.2 重視電芯整體安全性設計

電芯是對電池各類物質進行有效組合的重要紐帶，使正負極與隔膜等系統集成。電芯結構設計，不僅僅對各類材料性能發揮產生重要影響，同樣對電池電化學性能與安全性能具有關鍵性影響。材料選擇與電芯結構設計之間具有局部和整體的密切關系，關于電芯設計方面，需要基于材料所具有的特性，執行科學系統的機構模式。除此之外，鋰離子電池結構方面，還需對部分額外保護裝置予以重點考慮，常見保護結構設計包括：第一，設置開關元件，電池內溫度明顯升高時，阻值隨之增加，溫度過高情況下，則自動停止供電；第二，設置安全閥，電池內部壓力升高至相應數值，安全閥自動打開，確保電池安全性。關于電芯結構安全設計，具體實例如下。

2.2.1 正負極容量比和設計大小片

基于正負極材料所具有的特性，選擇適宜的正負極容量比，電芯正負極容量配比對鋰離子電池安全性有著重要影響，正極容量過大則會導致金屬鋰位于負極表面位置產生沉積，且負極過大電池容量會產生較大損失。通常來講，N/P= 10.5～1.15，基于具體電池容量以及安全性標準，并做出合理選擇。設計大小片，確保負極活性物質位置包住正極活性物質位置，通常寬度應多出1～5mm，長度應多出5～10mm[5]。

2.2.2 隔膜寬度留有余量

對于隔膜寬度設計，所需遵循的總體標準原則，即避免正負極片發生直接接觸，從而產生內部短路情況，因為電池充放電期間與熱沖擊等環境下，隔膜熱收縮性致使隔膜的長度與寬度出現相應的變形，隔膜褶皺區域因為正負極間距的增加，導致極化增加；隔膜拉伸區域因為隔膜變薄，致使微短路明顯增加；隔膜邊沿區域收縮，極易造成正負極產生直接接觸，從而引發內部短路現象，此類問題均會導致電池由于熱失控，對安全性產生嚴重影響。所以，電池設計階段，隔膜面積與寬度使用方面，務必對收縮特性予以充分考慮，隔離膜應當超過陰陽極。不考慮工藝誤差的情況下，隔離膜應當較極片外邊長最少多出0.1mm。

2.2.3 絕緣處理

內短路是對鋰離子電池安全性產生嚴重危害影響的因素之一，電芯結構設計方面，存在較多引起內短路的潛在危險部位。所以，務必在關鍵位置設置相應的絕緣等，避免異常情況下出現電池內短路現象。例如，正負極耳間應預留相應的間距；收尾單面中間五膏體位置，應當貼絕緣膠帶，對裸露部分采取全包裹；正極鋁箔與負極活性物質間，應當貼絕緣膠帶；使用絕緣膠帶對極耳焊接位置采取全包裹；電芯頂部位置使用絕緣膠帶等。

2.2.4 設置安全閥

鋰離子電池產生危險問題，主要是由于內部溫度過高或是壓力過大，從而產生爆炸等危險；設置相應的泄壓裝置，可以在發生危險情況下，對電池內部壓力與熱量進行快速有效釋放，避免爆炸等危險事故。對于設置泄壓裝置，應當滿足正常情況下內壓，且內壓處于危險極限的情況下，可自動打開從而釋放壓力。泄壓裝置設置的位置，應當對電池外殼由于內壓升高導致的變形加以重點考慮，以此做出合理的設計；針對安全閥設計，可選用薄片、刻痕與邊緣以及接縫等，并利用UL1642等噴射測試進行檢測實驗[6]。

2.3 提高工藝水平

切實加強電芯生產的科學化、規范化以及標準化。對于混料、涂布、壓實與卷繞等環節，制定切實可行的標準，如隔膜寬度以及電解液注液量等；對工藝手段進行優化改良，如低氣壓注液法或是離心裝殼法等。同時，加強工藝控制，為工藝質量提供可靠保障，降低產品之間所具有的差異。對安全性產生的影響，設置特殊步驟，如去極片毛刺或是掃粉，對各不相同材料運用相對應的焊接方法等，采取標準化嚴格質量控制，對缺陷部位進行有效消除，對存在缺陷采取有效排除。除此之外，確保生產區域干凈、清潔、無污染，采取5S 管理以及6-sigma 質量控制，有效避免生產期間摻雜水分或是雜質，使鋰離子電池安全性可以得到可靠的保障[7]。

3 結語

綜上所述，隨著新能源汽車產業的快速發展及鋰離子電池的廣泛應用，對鋰離子電池的安全性問題也成為重點關注的方面。盡管安全措施的有效應用，使危險隱患事故的出現得到明顯降低，不過，依然無法根本杜絕。同時，隨著鋰離子電池的不斷應用與深入研究，比能量隨著提高，會產生危險事故，因為比能量的提高，勢必會造成嚴重的危害影響。所以，為確保人們生命財產安全，還需對鋰離子電池安全技術加以深入研究，為鋰離子電池安全性提供可靠保障，從而推動新能源汽車產業的良好發展。