淺析鋰離子電池的安全問題及措施

李 玲,姚 杰,司江龍,劉漢武（延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，陜西延安,716000）

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淺析鋰離子電池的安全問題及措施

李 玲,姚 杰,司江龍,劉漢武
（延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，陜西延安,716000）

摘要：用于移動電源的鋰離子二次電池，存在電解質(zhì)泄漏等諸多安全隱患。本文從電池系統(tǒng)的濫用，電解質(zhì)以及電極材料等方面分析了影響鋰離子電池安全性能的因素，并針對危害鋰離子電池的安全因素分析其危害機(jī)理，提出相應(yīng)的措施。

關(guān)鍵詞：鋰離子；電池

0　引言

鋰電池由于具有較高的能量密度、功率密度及較好的循環(huán)壽命等優(yōu)勢，已在生活中的各個方面得到了應(yīng)用。然而近年來用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和筆記本電腦中的鋰離子電池爆炸傷人事件已經(jīng)屢見不鮮，致使人們對鋰離子電池的安全問題引起了廣泛的關(guān)注。本文針對影響鋰離子電池的安全因素進(jìn)行了分析，并給出了相應(yīng)的措施。

1　影響鋰離子電池安全問題的因素

1.1 濫用

目前商業(yè)化的鋰離子電池大部分采用的有機(jī)溶劑電解質(zhì)，其極易燃燒，特別是電解液中的線型碳酸酯具有較高的蒸氣壓和較低的閃點，在一些濫用狀態(tài)下，如高溫、過充電、針刺穿透以及擠壓等情況下，容易導(dǎo)致電極和有機(jī)電解液之間發(fā)生反應(yīng)，如有機(jī)電解液的劇烈氧化、還原或正極分解產(chǎn)生的氧氣進(jìn)一步與有機(jī)電解液反應(yīng)等，這些反應(yīng)產(chǎn)生的大量熱量如不能及時散失到周圍環(huán)境中，必將導(dǎo)致熱失控的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致電池的燃燒、爆炸。

1.2 電解質(zhì)對鋰離子電池安全問題的影響

電解液作為鋰離子電池的血液，電解液的性質(zhì)直接決定了電池的性能，對電池的容量、工作溫度范圍、循環(huán)性能及安全性能都有重要的作用。

（1）電解液本身的安全性。電解液本身相當(dāng)于可燃物，其閃點相對較低。

（2）電極/有機(jī)電解液相互作用的熱穩(wěn)定性是制約鋰離子電池安全性的首要因素。

電解液使用的溶劑通常為有機(jī)碳酸酯類化合物，其活性高，極易燃燒。處于充電狀態(tài)時，正極材料為強(qiáng)氧化性化合物，而負(fù)極材料為強(qiáng)還原性化合物。在濫用情況下，強(qiáng)氧化性的正極材料穩(wěn)定性一般較差，很容易釋放出氧氣，碳酸酯極與氧氣反應(yīng)，會放出大量的熱和氣體，這一反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量又進(jìn)一步加速了正極的分解，從而促進(jìn)了更多放熱反應(yīng)的進(jìn)行。同時，強(qiáng)還原性負(fù)極的活潑性接近于金屬鋰，其與氧接觸會立即燃燒并引燃電解液、隔膜等，從而導(dǎo)致了電池的熱失控，使電池產(chǎn)生燃燒和爆炸。同時，由于在上述反應(yīng)過程中生成的氧氣量有限，導(dǎo)致電解液的不完全燃燒。但這種燃燒仍會產(chǎn)生大量的熱和氣體，導(dǎo)致電池系統(tǒng)的破壞，也由此打開一個缺口，使得氣體或氣溶膠從電池內(nèi)部噴出，與空氣充分反應(yīng)，導(dǎo)致劇烈地燃燒，甚至爆炸。

（3）電池的環(huán)境溫度

當(dāng)電池的環(huán)境溫度足以引發(fā)正極/電解液反應(yīng)的時候，就會導(dǎo)致電池的熱失控狀態(tài)，而高活性的不穩(wěn)定電解液就像是在電池?zé)崾Э剡@把火上澆了一桶油，從而使得電池燃燒，發(fā)生爆炸。

2　提高和改善電池安全性能的途徑

2.1 正確使用電池，避免濫用

（1）按照標(biāo)準(zhǔn)的時間和程序充電。鋰電池的激活并不需要特別的方法，在手機(jī)正常使用中鋰電池會自然激活。過充和過放電會對鋰電池、特別是液體鋰離子電池造成巨大的傷害。

（2）當(dāng)出現(xiàn)手機(jī)電量過低提示時，應(yīng)該盡量及時開始充電。“盡量把手機(jī)電池的電量用完，最好用到自動關(guān)機(jī)”。的做法其實只是對鎳電池而言的，目的是避免記憶效應(yīng)發(fā)生。對于鋰電池來說并不存在記憶效應(yīng)。

2.2 改進(jìn)電解液體系

使用相對更安全的電解液體系用，即使熱失控發(fā)生，也不會因為易燃電解質(zhì)存在而導(dǎo)致電池燃燒或者爆炸。對電解液的改善則需從以下幾方面進(jìn)行著手：

（1）提高電解液中有機(jī)溶劑純度。微量雜質(zhì)的存在對電池性能的影響非常大，提高電解液中有機(jī)溶劑的純度，可以保證電解液中有機(jī)溶劑較高的氧化電位，減緩 SEI膜的溶解，防止氣脹。

（2）選擇熱穩(wěn)定性好的鋰鹽。鋰鹽主要有LiPF6、LiClO4、

LiBF4和LiAsF6，使用LiClO4的電池高溫性能不好，且LiClO4受撞擊容易爆炸；LiBF4的熱穩(wěn)定性差，LiAsF6有毒且價格昂貴。因此，這3種鋰鹽僅在實驗室有所使用。目前鋰離子電池中最常用的電解質(zhì)鹽是LiPF6，但其熱穩(wěn)定性也不理想，且制備過程比較復(fù)雜，遇水容易分解。因此，尋求能替代LiPF6的新型鋰鹽是提高電池安全性能的途徑之一。

（3）電解液主要由有機(jī)溶劑和鋰鹽兩部分組成，電解液的性能主要由溶劑和鋰鹽的配比所決定。在電解液中，若使用熔點低、沸點高且分解電壓高的有機(jī)溶劑，就能在某種程度上提高鋰離子電池安全性能。

（4）電解液中添加阻燃劑。鋰離子電池電解液在受熱的情況下，容易發(fā)生氫氧自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，通過添加阻燃添加劑可以最大限度地阻止和干擾氫氧自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。目前認(rèn)可的鋰離子電池電解液阻燃添加劑的作用機(jī)制是自由基捕獲機(jī)制。這種機(jī)制的中心思想是：阻燃添加劑受熱時會釋放出具有阻燃性能的自由基，其可以捕獲氣相中的氫自由基或氫氧自由基，從而達(dá)到阻止氫氧自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的目的。

3　結(jié)論

（1）分析了影響鋰離子電池安全性能的因素。包括對電池系統(tǒng)的濫用，液態(tài)電解質(zhì)的影響以及電極材料的問題。

（2）詳細(xì)地介紹了提高和改善鋰電池安全性能的措施。主要包括：正確使用鋰離子電池系統(tǒng)；對液態(tài)電解液，分別從電解液的有機(jī)溶劑、鋰鹽選擇、鋰鹽與有機(jī)溶劑配比及電解液添加劑方面給出了分析；兩種鋰離子固體電解質(zhì)材料的特點及優(yōu)缺點分析，并對其應(yīng)用領(lǐng)域及方向進(jìn)行了展望。

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Analysis of safety problems and measures of lithium ion batteries

Li Ling,Yao Jie,Si Jianglong,Liu Hanwu
（College of physics and electronic information, Yan'an University,Yanan Shaanxi,716000）

Abstract：The lithium-ion battery employed in the portable power source exist many potential safety hazards.In the paper,the misuse of the battery system and the effects of the electrolyte and the electrode materials on the safety performance were discussed. And further the harm mechanisms were analyzed and the corresponding measures were supplied.

Keywords：Lithium ion;battery

基金項目：2013年陜西省大學(xué)生創(chuàng)新項目“多元協(xié)同性摻雜鋰離子導(dǎo)體Li7La3Zr2O12的電學(xué)性能研究” (No.1280)