鋰離子電池因其低成本, 高性能, 大功率, 綠環境等諸多優勢, 現已成為新能源的典型代表, 廣泛應用於3C數位產品, 移動電源以及電動汽車等領域. 隨著鋰離子電池的不斷推廣, 鋰離子電池的安全性越來越受到人們的關注, 由於電池本身技術原因或是使用不當等問題都可能會造成鋰離子電池爆炸, 引起火災等安全事故. 尤其近幾年以電動汽車為主的電動交通工具市場對鋰離子電池的需求不斷加大, 在發展大功率鋰離子電池體系過程中, 電池安全問題引起了廣泛重視, 存在的問題急需進一步解決.
鋰離子電池熱失控過程
近幾年出現的電池熱失控引起的火災的案例中, 都是由於電池的生熱速率遠高於散熱速率, 且熱量大量累積而未及時散發出去所引起的. 從本質上而言, '熱失控' 是一個能量正反饋迴圈過程: 升高的溫度會導致系統變熱, 系統變熱後溫度升高, 又反過來讓系統變得更熱.
鋰離子電池熱失控過程圖
第1階段: 電池內部熱失控階段
電池在80~ 90℃時是安全的, 溫度升高到90~ 120℃之間時 SEI 膜開始分解, 釋放熱量, 溫度升高. 但是當溫度達到120~ 130℃時保護層SEI膜遭到破壞, 負極與溶劑, 粘結劑反應, 溫度升高, 隔膜融化關閉. 溫度繼續升高至150℃之上後, 內部電解質開始進行分解, 繼續釋放熱量, 進一步加熱電池.
第2階段: 電池鼓包階段
電池溫度達到200℃之上時, 正極材料分解, 釋放出大量熱和氣體, 持續升溫. 250-350℃嵌鋰態負極開始與電解液發生反應.
第3階段: 電池熱失控, 爆炸失效階段
在反應發生過程中, 電解液與正極反應產生的氧氣劇烈反應並進一步使電池發生熱失控.
鋰離子電池熱失控成因
其實一般電池內短路在電子產品中出現的機率是千萬分之一, 也就是說平時生活中用到的單個電池安全性相對較高. 但是在電動汽車中, 一輛電動汽車的電池組需要幾千個電池組成, 這樣發生熱失控的機率就由千萬分之一上升到千分之一. 而且電動汽車的電池一旦發生危險, 後果將非常嚴重, 研究電池熱失控的成因變得尤為重要.
1生產過程
電池生產過程
①正極材料
正極材料的安全性能主要包括過充安全性和熱穩定性, 在氧化狀態下, 正極材料發生放熱分解反應, 並釋放氧氣.
②負極材料
負極材料雖然比較穩定, 但嵌鋰狀態下的碳負極在高溫下會首先與電解液發生反應.
③電解液
電解液包括無機導電劑和有機溶劑, 而有機溶劑的易燃特性本身就會對電池的安全性能造成一定的影響.
④生產工藝
電池的生產工藝非常複雜, 即使進行嚴格控制, 也不能完全避免生產過程中的金屬雜質或毛刺. 若電池內部出現雜質, 毛刺或枝晶, 經過放大和惡化導致電導率升高, 溫度上升, 化學反應和放電發熱所產生的熱量不斷累積, 最終可能造成電池的熱失控.
2使用過程
①電池過充觸發熱失控
電池本身有過沖保護, 但是當這種過沖保護出現問題失靈的情況下, 電池還在繼續充電就會導致電池過沖觸發熱失控. 隨著電池的不斷使用, 電池的老化現象逐漸嚴重, 且電池組的一致性越來越差, 此時的電池如果過充極易出現熱安全問題. 所以任何時候都應該按使用說明進行安全充電.
②電池過熱觸發熱失控
電動汽車在實際路況行駛中, 當電動汽車保持高速行駛或遇到極限工況時, 必須持續大電流放電, 這時電池內部的溫度開始慢慢升高, 當電池熱量大量積累時, 若不及時限制其放電電流, 極有可能造成動力電池的熱失控現象.
③機械觸發熱失控
動力電池包遭遇撞擊變形, 電池包內部電池短路, 以及其他對電池包造成損壞的行為都有可能引發電池的熱失控.
正確使用鋰離子電池的注意事項
①安全使用電池, 防止電池著火, 爆炸等安全事故的發生要購買正規廠家生產的正規, 安全電池.
②使電池處在良好的通風, 散熱環境中, 保證電池工作時的溫度不超過電池內部電化學反應等的溫度. 如果發現電池溫度過高, 則要想辦法為電池降溫或必要時暫停使用電池, 以保證安全.
③充電時要用與電池配套的充電設備, 按規定充電, 防止電池發生過充現象. 一旦過充立即停止充電.
④要保證正確使用電池不要用尖銳或重物撞擊電池, 可以在保證電池良好的通風, 散熱等的條件下在電池外部加保護罩, 防止電池外部損傷而導致安全事故.
