動力鋰離子電池安全性研究進展

王磊

[摘? ? 要]現階段，社會生產生活與能源使用具有重要聯系，能源有效供給對經濟進步意義重大。鋰離子電池由于自身優越的性能在社會生產的各個方面實現了有效應用，相比于其他能源供應，使用鋰離子電池，具有較好的熱穩定性，對電動汽車的安全性以及生命使用周期具有重要影響。鋰離子電池在使用過程中發生放熱反應，會造成其內部熱能聚集，在熱反應失控后造成電池的燃燒或者爆炸。對動力鋰離子電池安全性研究進行分析，結合使用過程中極易出現的問題，提出相應安全性改善方法。

[關鍵詞]動力;鋰離子;電池;安全性;研究

[中圖分類號]TM912 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）04–00–02

Research Progress on the Safety of Power Lithium-ion Batteries

Wang Lei

[Abstract]At this stage， social production and life have an important connection with energy use. Effective energy supply is of great significance to economic progress. Lithium-ion batteries have achieved effective applications in all aspects of social production due to their superior performance. Compared with other energy supplies， The use of lithium-ion batteries has good thermal stability and has an important impact on the safety and life cycle of electric vehicles. The exothermic reaction of the lithium ion battery during use will cause the internal heat energy to accumulate， which will cause the battery to burn or explode after the thermal reaction is out of control. Analyze the safety research of power lithium-ion batteries， and put forward corresponding safety improvement methods in combination with the problems that are very likely to occur during use.

[Keywords]power; lithium ion; battery; safety; research

目前，經濟不斷進步，汽車行業發展迅速，這一過程中人們環保意識也在不斷提高，對提高城市空氣質量具有積極作用。隨著私家車數量增加，降低汽車尾氣排放是現階段亟需解決的問題。與此同時，不可再生能源的大量使用，原油價格上漲，傳統汽車使用成本增加，結合汽車目前增長速度分析，能源匱乏情況對我國經濟發展具有重要制約作用。從環保以及經濟可持續發展角度分析，使用清潔無污染的交通工具是交通領域實現環保經濟的重要發展趨勢。相比于燃油汽車，電動汽車可以滿足交通以及人們健康生活方式需求。解決電動汽車的電源問題，會擴大汽車的產業化經營規模。

1 電動汽車發展電源問題解決難點與關鍵點分析

1.1 電池管理系統解決

電池使用中，需要解決單體高效率長壽命均衡化系統管理。鋰離子電池實現均衡性放電是電池實際管理的重要問題，在串聯過程中，充電會具有單體電壓較高情況，相比于組內其他的電池使用，其已經進入到過充電情況，也就是說充電電壓超過了限制電壓。在這一時刻，出現在恒流階段中，在電流強度影響下，電壓、溫升以及內壓會持續增加。處于恒壓階段，電流強度較小時，其過充電癥狀并不顯著，相比于恒流階段會較小。在過充電過程中電池容量銳減，電池會失效。放電過程中，在后期階段，電壓會逐漸接近馬尾曲線，這一過程中單體容量的分布狀態是正態，并且電壓分布方式具有復雜性，其中容量較小的單體電壓會逐漸跌落，這一階段其他電池電壓并不顯著。現階段使用的均衡方式主要是充電單向平衡以及充放電過程的雙向平衡，使用的能量消耗方式并不能滿足大功率單體均衡需求，因此需要使用能量回饋方式的新型化均衡電路，如圖1所示。

1.2 安全問題

在動力鋰離子電池使用中，阻礙其大規模使用的重要因素是鋰離子電池安全性，其中化學性以及可燃物質影響，鋰離子電池過充以及過放電情況或者是溫度上升都會造成燃爆問題出現。基于這一情況，應實時監測溫度，以及出現異常上升情況原因，準確判斷溫度的變化趨勢，保證電池組使用的安全性。

1.3 電池殘存容量預估

鋰離子動力電池對使用的充電器要求較高，因此電路的保護是十分重要的，其充電方式主要是恒流恒壓，因此控制精度需要予以保證。在大多數時間內需要電池提供剩余電量，供電時間信號也需要預估，保證控制器可以全面掌握電池狀態，以此制定相應的控制策略，保證系統運行的穩定性。在電池使用過程中，剩余電量會受到多種因素影響，這一過程中電池的放電電流、溫度等均與參數數據具有重要聯系，也會表現出較大的非線形特性。

2 動力鋰離子電池安全性材料影響分析

2.1 正極材料影響

在鋰離子電池組成中，正極材料在充電狀態較高情況下會存在不穩定性，期間會逐漸分解并且釋放相應的氧氣，這一過程中會與有機電解液燃燒之后釋放出反應熱，正極材料中的活性物質會與電解液直接反應，這一因素也是鋰離子電池發生起火爆炸的重要原因。

在正極材料處理中主要使用的措施是核殼結構以及表面包覆、摻雜方式，提高電池使用安全性。相關研究人員使用差示掃描量熱法對正極材料中的粒徑以及包覆等因素進行測試，分析其中的熱穩定性。在經過相應研究之后，認為使用大顆粒物質可以降低正極材料與電解液反應的熱量。使用合理化的包覆量可以降低正極材料反應的熱量，反應起始溫度也可以有效提高。針對材料的摻雜，相關研究人員使用加速量熱儀研究正極材料在50 ～250 ℃中的熱行為，在實現摻雜之后，熱反應開始溫度由140 ℃逐漸提升到150 ℃，這一因素對電池安全具有決定性因素，其中產生的放熱反應熱量會低于沒有摻雜的材料。沒有摻雜的材料反應絕熱溫升數值在61 ℃，反觀摻雜材料只有41 ℃，對正極材料的穩定性具有積極作用。

2.2 負極材料影響

使用負極材料的主要安全性影響是在充放電過程中鋰枝晶產生以及出現的熱分解副反應。將商用石墨作為例子，在實際使用中，商用石墨負極在首次充放電過程中，石墨負極材料與電解液共同工作時會發生反應，出現絕緣保護膜，形成包覆作用，在負極材料表面位置。這一保護膜的使用會起到相應的保護作用，防止負極材料與電解液接觸過程中出現更加嚴重的副反應。在溫度從80℃上升到120 ℃時，保護膜會出現分解現象，伴隨分解程度逐漸加劇，石墨負極材料的保護作用也會喪失，這時內部的鋰就會與電解液接觸，出現放熱反應。對負極材料使用的安全性，研究人員開展了相應的深入研究，解決了負極材料中出現鋰枝晶問題，在電解液中調整優化，添加成膜添加劑，以提升保護膜的穩定性。

2.3 電解液

現階段使用最多的就是電解液，但其在使用中熱穩定性以及化學穩定性并不好，對動力電池安全性以及循環性能提升具有阻礙作用，針對這類物質應用研究，可以研發相應的功能添加劑，或者是新型電解質鋰鹽，對有機電解液穩定性提升具有積極作用。在鋰離子電池應用中，在液體電解質中使用的阻燃劑主要是有機磷化合物以及相應鹵化衍生物。研究人員認為使用磷酸二苯-辛酯可以降低電解液中的可燃性。使用有機電解液過程中增加硅烷以及硼酸酯等相應阻燃物質，同樣可以改善電池使用的安全性。添加劑的使用選擇過充保護添加劑，其中主要劃分為氧化還原添加劑以及電聚合添加劑，前一種物質會從過充可逆性保護電池，后者物質會終止電池工作，相關氧化還原物質針對添加劑高充電電壓使用過程中，初始階段為正極上氧化，氧化產物會不斷擴散，直至負極被還原，還原產物不斷擴散，直至正極氧化后，這一過程會呈現不斷循環狀態，直到充電結束。電聚合添加劑會在電池充電到一定電勢時，陰極表面會生成相應的導電聚合物，以此造成電池內部出現微短路，這一過程電池會放電，直到其呈現安全狀態。

電解液穩定性措施還有一種是轉變溶劑或者是鋰鹽的類型。現階段使用較為有效的是雙草酸硼酸鋰電解質。這一物質在使用中，存在吸熱過程，伴隨溫度不斷增加，放熱過程較為顯著，電解質的初始放熱溫度始終高于200 ℃，并且這一過程中的放熱量數值也會較低。

2.4 隔膜材料安全性影響分析

動力鋰離子出現熱失控現象，在不斷變化過程中，隔膜會經歷閉孔以及熔斷兩個階段。伴隨溫度不斷上升，隔膜會出現閉孔，并且溫度不斷上升，溫度會產生熔斷，其中分隔正極以及負極的功能也會喪失，其中正負極出現接觸情況，內部短路。使用不同隔膜閉孔以及熔斷特性存在差異性，相關研究人員發現，隔膜出現熔化，其溫度為130 ～140 ℃，并且聚乙烯隔膜溫度為160 ～170 ℃。分析隔膜設計因素，在這一角度提升電池使用安全性，首先需要設計性能較為優越的隔膜，熱誘導性能突出，存在阻斷特性;使用復合性隔膜，具有高熱穩定性;重視隔膜設計的阻燃性;使用三層結構隔膜，中間層材料為保護層，在電池內部逐漸升溫，其溫度接近臨界點后，其中多孔中間層會出現部分熔化情況，封閉膜孔，防止電解液出現遷移問題。其中上下兩層會存在相應的機械支持，防止電池內部出現短路情況。同時可以使用熱響應保護層，將其作為電池負極或者是隔膜層，凸顯其中的誘導阻斷特性。在電池的內部溫度達到臨界值時，負極隔膜會出現阻斷屏障，電池會停止工作，繼續產熱現象也會停止。使用復合性隔膜熔點相對來說較高，并且機械強度高，具有較高的熱導率。電池正常工作時，處于工作溫度范圍內，使用聚合物外殼可以避免阻燃劑出現溶解情況，防止其進入到電解液中。熱失控出現時，溫度不斷升高，聚合物中的保護層會不斷熔化，隔膜這一過程中也會不斷釋放出阻燃劑，對易燃電解液燃燒情況具有抑制作用，防止電池燃燒。

3 結束語

電動汽車的應用需要鋰離子動力電池支持，但電池使用過程中由于溫度升高造成的安全性問題一直是這一領域的研究重點，對電動汽車的應用擴大產生了制約作用。使用合理的正極與負極材料，重視電解質與電解液使用，利用包覆作用或者是增加阻燃劑等方式，提高電池使用的熱穩定性。在電池電極制造以及裝配過程使用的工藝都會對電池使用安全性造成影響，使用針對性解決措施改善電池安全，避免隱患發生。

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