基于單體鋰離子的電池安全技術(shù)在新能源汽車中的應(yīng)用

段 利

（安徽安環(huán)康檢測(cè)科技有限公司，安徽蕪湖 241003）

隨著新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展，電動(dòng)車也成為新能源汽車的重要主體，電池則屬于非常重要的動(dòng)力來(lái)源，且以鋰離子電池為主。鋰離子電池具有較長(zhǎng)的使用年限，且能量相對(duì)較高，自放頻率相對(duì)較低等，所以，鋰離子電池也成了新能源汽車非常重要的選擇。鋰離子電池的廣泛應(yīng)用，也面臨著相應(yīng)的安全性能問(wèn)題，電池安全技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用，是新能源汽車應(yīng)用鋰離子電池需要重點(diǎn)關(guān)注與研究的焦點(diǎn)，對(duì)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的影響和作用。

1 新能源汽車的鋰離子電池應(yīng)用狀況

1.1 發(fā)展前景好，技術(shù)需完善

同其他新能源進(jìn)行對(duì)比，鋰離子電池已歷經(jīng)了幾十年的研究發(fā)展與實(shí)際應(yīng)用，電池性能與質(zhì)量等方面均體現(xiàn)出相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。大部分研究人員均希望通過(guò)對(duì)鋰離子電池應(yīng)用技術(shù)的優(yōu)化與完善，切實(shí)推動(dòng)電池技術(shù)以及新能源汽車產(chǎn)業(yè)的良好發(fā)展。不過(guò)，針對(duì)鋰離子電池的科學(xué)研發(fā)，面臨著相應(yīng)的困難，如鋰離子電池生產(chǎn)所需的少數(shù)關(guān)鍵原材料，依然需要以國(guó)外進(jìn)口方式為主，少數(shù)生產(chǎn)工藝以及設(shè)備同樣需以國(guó)外引進(jìn)方式為主，這也在極大程度上對(duì)鋰離子電池科學(xué)研發(fā)以及生產(chǎn)制造產(chǎn)生嚴(yán)重的制約。鑒于此，鋰離子電池盡管具有較為可觀的發(fā)展前景，不過(guò)具體應(yīng)用期間，依然需研究人員開(kāi)展更加深入的科學(xué)研究，對(duì)鋰離子電池應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行不斷的優(yōu)化完善，為在新能源汽車中的應(yīng)用提供可靠保障[1]。

1.2 比能量不足，充當(dāng)輔動(dòng)力

比能量，即對(duì)電池釋放能力進(jìn)行解釋說(shuō)明的基本概念。鋰離子電池比能量相對(duì)越高，可以為新能源汽車提供充足的動(dòng)力保障。通過(guò)對(duì)鋰離子電池應(yīng)用進(jìn)行科學(xué)分析，能夠得知鋰離子電池比能量依然存有不足的地方，從而致使新能源汽車?yán)m(xù)航里程無(wú)法達(dá)到更高的級(jí)別。因此，對(duì)于鋰離子電池存在的比能量不足問(wèn)題，現(xiàn)階段，也開(kāi)發(fā)研制出混合動(dòng)力汽車，應(yīng)用鋰離子電池充當(dāng)輔助動(dòng)力，節(jié)約燃油量。同時(shí)，有關(guān)人員應(yīng)重視對(duì)鋰離子電池比能量進(jìn)行深入科學(xué)研究，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)此方面的有效突破，為鋰離子電池的廣泛應(yīng)用奠定重要 基礎(chǔ)。

1.3 使用范圍廣，電池種類多

鋰離子電池盡管存在相應(yīng)的不足和問(wèn)題，但現(xiàn)階段依然具有非常廣泛的應(yīng)用范圍，大部分國(guó)家也重視對(duì)鋰離子電池的深入科學(xué)研究，并大范圍進(jìn)行規(guī)模化使用。通過(guò)對(duì)鋰離子電池制作材料進(jìn)行科學(xué)研究，能夠得知，當(dāng)前，全球范圍內(nèi)有關(guān)鋰離子電池應(yīng)用，基于材料層面可劃分成錳酸鋰、鈷酸鋰、鈦酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等類型。其中，鈷酸鋰適用于小容量電池需求，其他類型則可適用于大容量需求，并在新能源汽車中有著重要應(yīng)用[2]。

2 鋰離子電池安全技術(shù)的應(yīng)用

2.1 選用較高安全系數(shù)原材料

選用安全系數(shù)相對(duì)高的正負(fù)極或活性材料與隔膜材料以及電解液。

2.1.1 正極材料選擇

正極材料安全性涵蓋如下方面：①熱力學(xué)穩(wěn)定性；②化學(xué)穩(wěn)定性；③物理性能?，F(xiàn)階段，正極材料使用較多的 則 是LiMn2O4、LiCoO2、LiFePO4、LiNiO2等。 通 常 而言，此類正極材料所具有的熱穩(wěn)定性關(guān)系順序?yàn)長(zhǎng)iNiO2＜ LiCoO2＜LiMn2O4＜LiFePO4。同時(shí)，粒徑相對(duì)較大的LiCoO2所具有的熱穩(wěn)定性，明顯優(yōu)于粒徑相對(duì)較小的情況[3]。

2.1.2 隔膜材料選擇

隔膜所具有的關(guān)鍵作用在于，對(duì)電池正負(fù)極進(jìn)行有效隔開(kāi)，避免正負(fù)極發(fā)生接觸產(chǎn)生短路情況。同時(shí)，有利于電解質(zhì)離子的順利通過(guò)，即具備電子絕緣性以及離子導(dǎo)通性。鋰離子電池對(duì)隔膜的選用，需關(guān)注如下方面：第一，具備電子絕緣性特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)正負(fù)極進(jìn)行機(jī)械隔離；第二，具備相應(yīng)的孔徑以及孔隙率，且具備相對(duì)較低的電阻以及相對(duì)較高的離子電導(dǎo)率，對(duì)鋰離子具有良好的透過(guò)性。同時(shí)，孔隙不宜過(guò)大，以防產(chǎn)生微短路現(xiàn)象，孔徑通常介于0.01～0.1μm；第三，隔膜材料需具備良好的化學(xué)穩(wěn)定性，需耐電解液腐蝕；第四，隔膜需具備自動(dòng)關(guān)斷保護(hù)功能，高溫條件情況，應(yīng)當(dāng)具備良好的絕緣性，電池受意外事故影響出現(xiàn)明顯升溫，隔膜空隙受熱出現(xiàn)融化閉合，對(duì)鋰離子流動(dòng)形成有效組織，對(duì)電流進(jìn)行快速切斷，避免出現(xiàn)爆炸等危險(xiǎn)事故，基于IEEE 1725推薦，隔離膜應(yīng)當(dāng)可以處于150℃以下，保持不低于10min 的絕緣性；第五，隔熱收縮率與變形性應(yīng)當(dāng)保證足夠??；第六，隔膜應(yīng)保證相應(yīng)的厚度，通常情況下，鋰離子電池選用的隔膜，厚度應(yīng)不超過(guò)25μm，動(dòng)力電池則需適當(dāng)增加厚度，不超過(guò)40μm；第七，隔膜應(yīng)具備良好的物理強(qiáng)度以及抗刺穿能力，以防被部分顆粒刺穿薄膜，導(dǎo)致局部發(fā)生短路。垂直極片方向，可承受標(biāo)準(zhǔn)工作操作不出現(xiàn)破壞。

2.1.3 電解液選擇

電解液屬于鋰離子電池非常關(guān)鍵的構(gòu)成，在電池正負(fù)極間起到傳輸與傳導(dǎo)電流的重要作用。鋰離子電池選用的電解液，使鋰鹽溶解于有機(jī)質(zhì)非質(zhì)子混合溶劑，以此形成電解質(zhì)溶液。通常情況下，需滿足如下標(biāo)準(zhǔn)：第一，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，同電極活性物質(zhì)與隔膜以及集流體等無(wú)法發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；第二，具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，且電化學(xué)窗口相對(duì)較寬；第三，鋰離子電導(dǎo)率相對(duì)較高，電子電導(dǎo)率則相對(duì)較低；第四，液態(tài)溫度范圍足夠?qū)?；第五，安全且無(wú)毒，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染影響，對(duì)環(huán)境友好[4]。

2.2 重視電芯整體安全性設(shè)計(jì)

電芯是對(duì)電池各類物質(zhì)進(jìn)行有效組合的重要紐帶，使正負(fù)極與隔膜等系統(tǒng)集成。電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅僅對(duì)各類材料性能發(fā)揮產(chǎn)生重要影響，同樣對(duì)電池電化學(xué)性能與安全性能具有關(guān)鍵性影響。材料選擇與電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間具有局部和整體的密切關(guān)系，關(guān)于電芯設(shè)計(jì)方面，需要基于材料所具有的特性，執(zhí)行科學(xué)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)模式。除此之外，鋰離子電池結(jié)構(gòu)方面，還需對(duì)部分額外保護(hù)裝置予以重點(diǎn)考慮，常見(jiàn)保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括：第一，設(shè)置開(kāi)關(guān)元件，電池內(nèi)溫度明顯升高時(shí)，阻值隨之增加，溫度過(guò)高情況下，則自動(dòng)停止供電；第二，設(shè)置安全閥，電池內(nèi)部壓力升高至相應(yīng)數(shù)值，安全閥自動(dòng)打開(kāi)，確保電池安全性。關(guān)于電芯結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)，具體實(shí)例如下。

2.2.1 正負(fù)極容量比和設(shè)計(jì)大小片

基于正負(fù)極材料所具有的特性，選擇適宜的正負(fù)極容量比，電芯正負(fù)極容量配比對(duì)鋰離子電池安全性有著重要影響，正極容量過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致金屬鋰位于負(fù)極表面位置產(chǎn)生沉積，且負(fù)極過(guò)大電池容量會(huì)產(chǎn)生較大損失。通常來(lái)講，N/P= 10.5～1.15，基于具體電池容量以及安全性標(biāo)準(zhǔn)，并做出合理選擇。設(shè)計(jì)大小片，確保負(fù)極活性物質(zhì)位置包住正極活性物質(zhì)位置，通常寬度應(yīng)多出1～5mm，長(zhǎng)度應(yīng)多出5～10mm[5]。

2.2.2 隔膜寬度留有余量

對(duì)于隔膜寬度設(shè)計(jì)，所需遵循的總體標(biāo)準(zhǔn)原則，即避免正負(fù)極片發(fā)生直接接觸，從而產(chǎn)生內(nèi)部短路情況，因?yàn)殡姵爻浞烹娖陂g與熱沖擊等環(huán)境下，隔膜熱收縮性致使隔膜的長(zhǎng)度與寬度出現(xiàn)相應(yīng)的變形，隔膜褶皺區(qū)域因?yàn)檎?fù)極間距的增加，導(dǎo)致極化增加；隔膜拉伸區(qū)域因?yàn)楦裟ぷ儽?，致使微短路明顯增加；隔膜邊沿區(qū)域收縮，極易造成正負(fù)極產(chǎn)生直接接觸，從而引發(fā)內(nèi)部短路現(xiàn)象，此類問(wèn)題均會(huì)導(dǎo)致電池由于熱失控，對(duì)安全性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。所以，電池設(shè)計(jì)階段，隔膜面積與寬度使用方面，務(wù)必對(duì)收縮特性予以充分考慮，隔離膜應(yīng)當(dāng)超過(guò)陰陽(yáng)極。不考慮工藝誤差的情況下，隔離膜應(yīng)當(dāng)較極片外邊長(zhǎng)最少多出0.1mm。

2.2.3 絕緣處理

內(nèi)短路是對(duì)鋰離子電池安全性產(chǎn)生嚴(yán)重危害影響的因素之一，電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，存在較多引起內(nèi)短路的潛在危險(xiǎn)部位。所以，務(wù)必在關(guān)鍵位置設(shè)置相應(yīng)的絕緣等，避免異常情況下出現(xiàn)電池內(nèi)短路現(xiàn)象。例如，正負(fù)極耳間應(yīng)預(yù)留相應(yīng)的間距；收尾單面中間五膏體位置，應(yīng)當(dāng)貼絕緣膠帶，對(duì)裸露部分采取全包裹；正極鋁箔與負(fù)極活性物質(zhì)間，應(yīng)當(dāng)貼絕緣膠帶；使用絕緣膠帶對(duì)極耳焊接位置采取全包裹；電芯頂部位置使用絕緣膠帶等。

2.2.4 設(shè)置安全閥

鋰離子電池產(chǎn)生危險(xiǎn)問(wèn)題，主要是由于內(nèi)部溫度過(guò)高或是壓力過(guò)大，從而產(chǎn)生爆炸等危險(xiǎn)；設(shè)置相應(yīng)的泄壓裝置，可以在發(fā)生危險(xiǎn)情況下，對(duì)電池內(nèi)部壓力與熱量進(jìn)行快速有效釋放，避免爆炸等危險(xiǎn)事故。對(duì)于設(shè)置泄壓裝置，應(yīng)當(dāng)滿足正常情況下內(nèi)壓，且內(nèi)壓處于危險(xiǎn)極限的情況下，可自動(dòng)打開(kāi)從而釋放壓力。泄壓裝置設(shè)置的位置，應(yīng)當(dāng)對(duì)電池外殼由于內(nèi)壓升高導(dǎo)致的變形加以重點(diǎn)考慮，以此做出合理的設(shè)計(jì)；針對(duì)安全閥設(shè)計(jì)，可選用薄片、刻痕與邊緣以及接縫等，并利用UL1642等噴射測(cè)試進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)[6]。

2.3 提高工藝水平

切實(shí)加強(qiáng)電芯生產(chǎn)的科學(xué)化、規(guī)范化以及標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)于混料、涂布、壓實(shí)與卷繞等環(huán)節(jié)，制定切實(shí)可行的標(biāo)準(zhǔn)，如隔膜寬度以及電解液注液量等；對(duì)工藝手段進(jìn)行優(yōu)化改良，如低氣壓注液法或是離心裝殼法等。同時(shí)，加強(qiáng)工藝控制，為工藝質(zhì)量提供可靠保障，降低產(chǎn)品之間所具有的差異。對(duì)安全性產(chǎn)生的影響，設(shè)置特殊步驟，如去極片毛刺或是掃粉，對(duì)各不相同材料運(yùn)用相對(duì)應(yīng)的焊接方法等，采取標(biāo)準(zhǔn)化嚴(yán)格質(zhì)量控制，對(duì)缺陷部位進(jìn)行有效消除，對(duì)存在缺陷采取有效排除。除此之外，確保生產(chǎn)區(qū)域干凈、清潔、無(wú)污染，采取5S 管理以及6-sigma 質(zhì)量控制，有效避免生產(chǎn)期間摻雜水分或是雜質(zhì)，使鋰離子電池安全性可以得到可靠的保障[7]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展及鋰離子電池的廣泛應(yīng)用，對(duì)鋰離子電池的安全性問(wèn)題也成為重點(diǎn)關(guān)注的方面。盡管安全措施的有效應(yīng)用，使危險(xiǎn)隱患事故的出現(xiàn)得到明顯降低，不過(guò)，依然無(wú)法根本杜絕。同時(shí)，隨著鋰離子電池的不斷應(yīng)用與深入研究，比能量隨著提高，會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)事故，因?yàn)楸饶芰康奶岣?，?shì)必會(huì)造成嚴(yán)重的危害影響。所以，為確保人們生命財(cái)產(chǎn)安全，還需對(duì)鋰離子電池安全技術(shù)加以深入研究，為鋰離子電池安全性提供可靠保障，從而推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的良好發(fā)展。