锂离子电池因其低成本, 高性能, 大功率, 绿环境等诸多优势, 现已成为新能源的典型代表, 广泛应用于3C数码产品, 移动电源以及电动汽车等领域. 随着锂离子电池的不断推广, 锂离子电池的安全性越来越受到人们的关注, 由于电池本身技术原因或是使用不当等问题都可能会造成锂离子电池爆炸, 引起火灾等安全事故. 尤其近几年以电动汽车为主的电动交通工具市场对锂离子电池的需求不断加大, 在发展大功率锂离子电池体系过程中, 电池安全问题引起了广泛重视, 存在的问题急需进一步解决.
锂离子电池热失控过程
近几年出现的电池热失控引起的火灾的案例中, 都是由于电池的生热速率远高于散热速率, 且热量大量累积而未及时散发出去所引起的. 从本质上而言, '热失控' 是一个能量正反馈循环过程: 升高的温度会导致系统变热, 系统变热后温度升高, 又反过来让系统变得更热.
锂离子电池热失控过程图
第1阶段: 电池内部热失控阶段
电池在80~ 90℃时是安全的, 温度升高到90~ 120℃之间时 SEI 膜开始分解, 释放热量, 温度升高. 但是当温度达到120~ 130℃时保护层SEI膜遭到破坏, 负极与溶剂, 粘结剂反应, 温度升高, 隔膜融化关闭. 温度继续升高至150℃之上后, 内部电解质开始进行分解, 继续释放热量, 进一步加热电池.
第2阶段: 电池鼓包阶段
电池温度达到200℃之上时, 正极材料分解, 释放出大量热和气体, 持续升温. 250-350℃嵌锂态负极开始与电解液发生反应.
第3阶段: 电池热失控, 爆炸失效阶段
在反应发生过程中, 电解液与正极反应产生的氧气剧烈反应并进一步使电池发生热失控.
锂离子电池热失控成因
其实一般电池内短路在电子产品中出现的概率是千万分之一, 也就是说平时生活中用到的单个电池安全性相对较高. 但是在电动汽车中, 一辆电动汽车的电池组需要几千个电池组成, 这样发生热失控的概率就由千万分之一上升到千分之一. 而且电动汽车的电池一旦发生危险, 后果将非常严重, 研究电池热失控的成因变得尤为重要.
1生产过程
电池生产过程
①正极材料
正极材料的安全性能主要包括过充安全性和热稳定性, 在氧化状态下, 正极材料发生放热分解反应, 并释放氧气.
②负极材料
负极材料虽然比较稳定, 但嵌锂状态下的碳负极在高温下会首先与电解液发生反应.
③电解液
电解液包括无机导电剂和有机溶剂, 而有机溶剂的易燃特性本身就会对电池的安全性能造成一定的影响.
④生产工艺
电池的生产工艺非常复杂, 即使进行严格控制, 也不能完全避免生产过程中的金属杂质或毛刺. 若电池内部出现杂质, 毛刺或枝晶, 经过放大和恶化导致电导率升高, 温度上升, 化学反应和放电发热所产生的热量不断累积, 最终可能造成电池的热失控.
2使用过程
①电池过充触发热失控
电池本身有过冲保护, 但是当这种过冲保护出现问题失灵的情况下, 电池还在继续充电就会导致电池过冲触发热失控. 随着电池的不断使用, 电池的老化现象逐渐严重, 且电池组的一致性越来越差, 此时的电池如果过充极易出现热安全问题. 所以任何时候都应该按使用说明进行安全充电.
②电池过热触发热失控
电动汽车在实际路况行驶中, 当电动汽车保持高速行驶或遇到极限工况时, 必须持续大电流放电, 这时电池内部的温度开始慢慢升高, 当电池热量大量积累时, 若不及时限制其放电电流, 极有可能造成动力电池的热失控现象.
③机械触发热失控
动力电池包遭遇撞击变形, 电池包内部电池短路, 以及其他对电池包造成损坏的行为都有可能引发电池的热失控.
正确使用锂离子电池的注意事项
①安全使用电池, 防止电池着火, 爆炸等安全事故的发生要购买正规厂家生产的正规, 安全电池.
②使电池处在良好的通风, 散热环境中, 保证电池工作时的温度不超过电池内部电化学反应等的温度. 如果发现电池温度过高, 则要想办法为电池降温或必要时暂停使用电池, 以保证安全.
③充电时要用与电池配套的充电设备, 按规定充电, 防止电池发生过充现象. 一旦过充立即停止充电.
④要保证正确使用电池不要用尖锐或重物撞击电池, 可以在保证电池良好的通风, 散热等的条件下在电池外部加保护罩, 防止电池外部损伤而导致安全事故.
