鋰離子動力電池的安全性及解決方法
鋰離子動力電池的安全性及解決方法
在新能源汽車發展過程中，除價格高、續駛里程短和充換電基礎設施不足外，動力電池安全性是消費者和專業人士關注的重點。這個問題也影響到了動力電池比能量的提升。
“發展防短路、防過充、防熱失控、防燃燒及不燃性電解液是應對動力電池安全性的關鍵”，武漢大學教授艾新平在11月8日于上海舉行的第14屆中國國際工業博覽會新能源汽車產業發展高峰論壇上強調。
鋰離子動力電池不安全行為的發生機制
艾新平分析指出，鋰離子動力電池除了正常的充放電反應外，還存在很多潛在的放熱副反應。當電池溫度或充電電壓過高時，很容易引發這些放熱副反應。
主要的過熱副反應包括：1.SEI膜在溫度高于130℃時分解，使電解液在裸露的高活性碳負極表面大量還原分解放熱，導致電池溫度升高。這是引發電池熱失控的根本原因。
2.充電態正極的熱分解放熱，及進一步由活性氧引發的電解液分解，加劇了電池內部的熱量積累，促進了熱失控。
3.電解質的熱分解導致電解液分解放熱，加快了電池溫升。
4.粘結劑與高活性負極的反應。LixC6與PVDF反應的起始溫度約為240℃，峰值290℃，反應熱為1500J/g。
主要的過充副反應為，有機電解液氧化分解，產生有機小分子氣體,導致電池內壓增大，溫度升高。
當放熱副反應的產熱速率高于動力電池的散熱速率時，電池內亞及溫度急劇上升，進入無法控制的自加溫狀態，即熱失控，導致電池燃燒。電池越厚，容量越大，散熱越慢，產熱量越大，越容易引發安全問題。
鋰離子動力電池不安全行為的引發因素
主要包括下述3種情況引起的短路：①隔膜表面導電粉塵、正負極錯位、極片毛刺和電解液分布不均等工藝因素；②材料中金屬雜質；③低溫充電、大電流充電、負極性能衰減過快導致負極表面析鋰，振動或碰撞等應用過程。
此外，還有大電流充電導致的局部過充，極片涂層、電液分布不均引起局部過充，正極性能衰減過快等過充因素。
鋰離子動力電池安全技術的進展
電池安全設計制造、PTC限流裝置、壓力安全閥、熱封閉隔膜及提高電池材料的熱穩定性等常規方法，有其局限性，只能在一定程度上降低電池不安全行為的發生概率。艾新平強調：要根本解決，需要研究防短路、防過充、防熱失控、防燃燒及不燃性電解液的新技術，建立電池自激發安全保護機制。
1.防止電池內部短路。陶瓷隔膜和負極熱阻層等保護涂層。
2.防過充技術。
①氧化還原電對添加劑。在電解液中加入一種氧化還原電對O/R，當電池過充時，R在正極上氧化成O,隨之O擴散至負極又還原成R。如此內部循環，使充電電勢鉗制在安全值，抑制電解液分解及其他電極反應發生。
二甲氧基苯衍生物具有穩定的電壓鉗制能力，但因溶解度低，鉗制能力小于0.5C；電池自放電大。還需在Shuttle分子結構方面進一步研究。
可逆過充保護不僅能解決電池的過充電問題，且有利于電池組中單體電池的容量平衡，降低對電池一致性的要求，還能延長電池使用壽命。
②電壓敏感隔膜。在隔膜部分微孔中填充一種電活性聚合物，在正常充放電電壓區間，隔膜呈絕緣態，只允許離子傳導；當充電電壓達到控制值時，聚合物被氧化摻雜成為電子導電態，在正負極間形成聚合物導電橋，使充電電流旁路，可避免電池過充。
3.防止熱失控的技術。
①溫度敏感電極（PTC電極）。PTC材料在常溫下，分散于聚合物基質中的導電炭黑接觸良好，可形成良好的電子傳輸通道，復合材料有較高的電子導電性；當溫度上升至復合物的居里轉化溫度時，聚合物基質膨脹，導電炭黑脫離接觸，復合物電導急劇下降。
高溫下，鑲嵌在PTC電極集流體和電極活性物涂層之間的PTC涂層電阻急劇增大，可切斷電流傳輸，終止電池反應，防止電池因熱失控引發的安全問題。
例如，PTC鈷酸鋰（LiCoO2）電極，實驗結果表明，在80~120℃高溫下，表現出良好的自激發熱阻斷效果，能防止電池因過充和外部短路引發的安全問題。
但PTC電極對內部短路無能為力。另外，聚合物PTC材料的溫度響應特性還有待進一步優化。
②熱封閉電極。在電極或隔膜表面修飾一層納米球狀熱熔性材料。常溫下，球狀顆粒的堆積形成多孔，不影響離子的液相傳輸；當溫度升高至球體材料的融化溫度時，球體融化成致密膜，切斷離子傳輸，可終止電池反應。
③熱固化電池。在電解液中加入一種可以發生熱聚合的單體。當溫度升高時發生聚合，使電解液固化，切斷離子傳輸，使電池反應終止。例如，實驗表明，BMI電解液添加劑對電池充放電基本沒有影響，高溫下，BMI可抑制電池充放電。
4.防止電池燃燒的不燃性電解液。有機磷酸酯具有高阻燃、對電解質鹽較強溶解能力的特性。例如，DMMP（二甲氧基甲基磷酸酯）：低粘度（cP~1.75,25℃），低熔點、高沸點（-50~181℃），強阻燃（P-content：25%），鋰鹽溶解度高。
不過，阻燃溶劑在應用中存在下述問題：與負極匹配性較差，電池充放電庫倫效率低。因此，需要尋找匹配的成膜添加劑。
動力電池商用化中應注意的安全問題
對鋰離子動力電池的安全性，艾新平認為，首先，由于正極材料的熱分解只是熱失控反應的一部分，因此從理論上看，磷酸鐵鋰電池并非絕對安全，大容量電池裝車時要慎重。
其次，由于電池檢測的概率，通過安全性檢測的動力電池不能證明是絕對安全的。嚴格起見，應檢測全充放循環一定周次后的電池；經歷低溫充電后的電池；對電池模塊和電池組進行安全測試。
還有，在電池使用過程中，整車廠商盡可能將動力電池的環境溫度控制在20~45℃范圍，這樣既能有效提高電池使用壽命和可靠性，還能避免低溫析鋰造成的短路和高溫熱失控問題。（日經技術在線！ 供稿）