提高鋰離子動力電池安全性能的方法

趙保方，張引弦

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提高鋰離子動力電池安全性能的方法

趙保方，張引弦

（海軍裝備采購中心，北京 100071）

本文介紹了提高鋰離子動力電池安全性各種方法。通過加裝安排氣口，加裝正溫度系數(shù)電阻元件，改進正極材料、電解液和隔膜，加強電池設(shè)計和生產(chǎn)過程管理，采用電池管理系統(tǒng)均可提高鋰離子動力電池安全性。

鋰離子動力電池 安全性 電池管理系統(tǒng)

0 引言

鋰離子電池具有工作電壓高、容量大、比功率大、比能量高、循環(huán)性能好、工作溫度范圍寬廣、環(huán)境污染小等優(yōu)點，具有廣闊應(yīng)用前景[1,2]。但安全性問題制約了鋰離子電池推廣，成為各方廣泛關(guān)注的焦點。

鋰離子電池的安全性問題主要有自爆、電火、漏液等。提高鋰離子動力電池的安全性，可分為物理方法和化學(xué)方法，其中物理方法有：使用安全排氣口、正溫度系數(shù)電子元件(PTC)、電子電路保護或電池管理系統(tǒng)BMS等；化學(xué)方法主要是從電池的內(nèi)部材料包括正極材料、電解液及隔膜等方面進行改進。

1 物理方法

1.1 安全排氣口

傳統(tǒng)的動力電池（如閥控式密封鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋁氧化銀電池等）安全措施主要采用安全泄壓閥。當電池內(nèi)部壓力突然異常增大，排氣口打開，電池內(nèi)部氣體排出。

鋰離子電池在使用過程中由于未按要求使用、電池內(nèi)部短路等問題會導(dǎo)致電池溫度升高，從而導(dǎo)致有機電解液揮發(fā)或分解形成氣體?？稍阡囯x子動力電池表面安裝安全排氣口，當電池內(nèi)部氣體壓力達到額定值時，排氣口打開，排出氣體，可防止由于電池內(nèi)部氣體壓力過高成電池爆炸。因此安排工作排氣口可以作為一個輔助措施用于提高鋰離子電池的安全性。

1.2 正溫度系數(shù)電阻元件(PTC)[3]

正溫度系數(shù)電阻元件PTC是利用基體材料的電阻隨溫度的升高而急劇上升的特性，基體材料主要分為陶瓷和導(dǎo)電聚合物PTC材料兩類。當電池發(fā)生過充或外短路時，會有大電流流經(jīng)PTC元件，PTC元件溫度由于歐姆阻抗發(fā)熱而急劇升高，導(dǎo)致其電阻也迅速增大，從而限制電流并使其迅速減小到安全范圍。PTC元件通常安裝在電池內(nèi)部，當電池內(nèi)部超過臨界溫度以后，其電阻變?yōu)闊o窮大，從而有效地保護電池。

1.3 電池設(shè)計優(yōu)化

在電池設(shè)計過程中，可以選擇合適的材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計以提高電池的安全性。對于圓柱形電池，設(shè)計時在電池內(nèi)部加入PTC元件，或在端部加裝安全排氣口；對于鋁殼、鋼殼電池，可以在電池端部加裝安全排氣口；對于鋁塑膜包裝的電池，雖無法加裝PTC和安全排氣口，但是當在發(fā)生濫用或其它原因造成電池內(nèi)部壓力增大時，鋁塑膜會發(fā)生膨脹達到卸壓的效果。

1.4 電池管理系統(tǒng)BMS

單體電池本身的差異和使用環(huán)境的細微差別，均會造成電池性能的差異，從而影響對整個電池組的壽命和性能。鋰離子電池組存在的問題主要有：電池單體的過充/過放、電池單體電流過大、電池單體溫度過高、電池組短路或者漏電。

BMS的功能就是通過動態(tài)監(jiān)測動力電池組的工作狀態(tài)，控制其他器件，防止電池發(fā)生過充電或過放電現(xiàn)象，同時能夠及時給出電池狀況，識別出異常電池，保持整組電池運行的可靠性和高效性。

2 化學(xué)方法

2.1 正極材料的改進

正極材料與電解液的快速反應(yīng)是導(dǎo)致鋰離子電池熱失控的主要原因。電池過充安全性與正極材料密切相關(guān)，不同正極材料在過充過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不同。通過改性能夠提高正極材料過充安全性，目前鋰離子電池正極材料改性的主要用方法有表面包覆和摻雜改性[4]。通過包覆可穩(wěn)定被包覆材料在過充過程中的結(jié)構(gòu)，可減少脫鋰后正極材料與電解液之間的反應(yīng)，同時減少正極材料過充中的釋氧，因此提高了正極材料的耐過充性能。通過摻雜可以改變材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與表面催化活性，從而降低正極材料與電解液的反應(yīng)速率，從而提高電池的安全性。

2.2 電解液的改進

目前鋰離子電池所使用的電解液按電解質(zhì)的存在狀態(tài)可分為液體、固體和固液復(fù)合三類。

目前最常用的鋰離子電池主要采用含碳酸酯的多組分混合溶劑（如EC/DMC、EC/DEC、EC/DMC/DEC等）與LiPF6組成的電解液。雖然以碳酸酯作為溶濟能夠提高電池的充放電容量和循環(huán)壽命，但是碳酸酯都是容易燃燒的物質(zhì)，而且LiPF6易分解，當電池過熱或過充放電狀態(tài)下，可能會引起電池爆炸、燃燒。

通過對電解液進行改進以提高提高鋰離子電池的安全性的方法主要有添加電解液添加劑和對碳酸酯進行氟化處理[5]。添加電解液添加劑可以改善SEI 膜性能；穩(wěn)定LiPF6；降低有機電解液的可燃性。通過添加不同的添加劑，可以起到提高過充安全性以及阻燃等作用。在電池中添加一些高沸點、高閃點和不易燃的溶劑或采用固體電解質(zhì)代替有機液態(tài)電解質(zhì)，也能夠有效提高鋰離子電池的安全性。對碳酸酯進行氟化處理可以降低其可燃性，從而提高鋰離子電池的安全性

2.3 隔膜的改進

鋰離子電池的熱穩(wěn)定性還與電池的隔膜材料有關(guān)。由于隔膜材料在高溫下存在熔斷、破裂、穿孔等隱患，因此人們不斷研究新型的隔膜材料。為了提高蓄電池的安全性，部分鋰離子動力蓄電池采用陶瓷隔膜，這樣可以有效防止蓄電池內(nèi)部短路。蓄電池在針刺和擠壓狀態(tài)下，有效減少安全事故的發(fā)生。

3 加強生產(chǎn)過程管理

加強生產(chǎn)過程的管理對于提高鋰離子電池的安全性也非常重要。嚴格控制極片制造過程，確保極片的一致性；加強生產(chǎn)環(huán)境控制，防止引入雜質(zhì)；加強生產(chǎn)過程檢驗，充分考察電池的安全性，均可以提高電池的安全性。

4 小結(jié)

鋰離子動力電池的安全性問題直接影響了電池的最終應(yīng)用，我們應(yīng)該從單體電池設(shè)計、原材料的選用、單體電池的制造，電池組的組裝和管理系統(tǒng)等各個環(huán)節(jié)入手以提高鋰離子動力電池安全性。

[1] 李天勇, 和祥運, 于洪濤. 鋰離子蓄電池安全性能研究進展及發(fā)展方向. 汽車與配件[J], 2013, (1)：5-6.

[2] 俞會根, 王彥紅. 電動汽車用鋰離子電池的安全性研究及對策. 材料導(dǎo)報[J]. 2012, 26(5): 195-198.

[3] 郭永興. 鋰離子動力電池制造關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)及其安全性研究. 中南大學(xué)博士學(xué)位論文, 2010: 18.

[4] 馬玉林, 尹鴿平, 徐宇虹. 提高鋰離子電池過充安全性研究進展, 電源技術(shù)[J]. 2011, 35(1): 97-101.

[5] 任春燕. 鋰離子電池電解液用安全性. 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2012: 4.

Methods to Improve the Safety of High Power Lithium-ion Battery

Zhao Baofang, Zhang Yinxuan

(Armaments Procurement Agency, Naval Equipment Ministry, Beijing 100071, China)

TM912.9

A

1003-4862（2013）12-0027-02

2013-10-22

趙保方（1967-），男，高工。研究方向：輪機工程。