動(dòng)力鋰離子電池安全性研究進(jìn)展

王磊

[摘? ? 要]現(xiàn)階段，社會(huì)生產(chǎn)生活與能源使用具有重要聯(lián)系，能源有效供給對(duì)經(jīng)濟(jì)進(jìn)步意義重大。鋰離子電池由于自身優(yōu)越的性能在社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了有效應(yīng)用，相比于其他能源供應(yīng)，使用鋰離子電池，具有較好的熱穩(wěn)定性，對(duì)電動(dòng)汽車的安全性以及生命使用周期具有重要影響。鋰離子電池在使用過程中發(fā)生放熱反應(yīng)，會(huì)造成其內(nèi)部熱能聚集，在熱反應(yīng)失控后造成電池的燃燒或者爆炸。對(duì)動(dòng)力鋰離子電池安全性研究進(jìn)行分析，結(jié)合使用過程中極易出現(xiàn)的問題，提出相應(yīng)安全性改善方法。

[關(guān)鍵詞]動(dòng)力;鋰離子;電池;安全性;研究

[中圖分類號(hào)]TM912 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）04–00–02

Research Progress on the Safety of Power Lithium-ion Batteries

Wang Lei

[Abstract]At this stage， social production and life have an important connection with energy use. Effective energy supply is of great significance to economic progress. Lithium-ion batteries have achieved effective applications in all aspects of social production due to their superior performance. Compared with other energy supplies， The use of lithium-ion batteries has good thermal stability and has an important impact on the safety and life cycle of electric vehicles. The exothermic reaction of the lithium ion battery during use will cause the internal heat energy to accumulate， which will cause the battery to burn or explode after the thermal reaction is out of control. Analyze the safety research of power lithium-ion batteries， and put forward corresponding safety improvement methods in combination with the problems that are very likely to occur during use.

[Keywords]power; lithium ion; battery; safety; research

目前，經(jīng)濟(jì)不斷進(jìn)步，汽車行業(yè)發(fā)展迅速，這一過程中人們環(huán)保意識(shí)也在不斷提高，對(duì)提高城市空氣質(zhì)量具有積極作用。隨著私家車數(shù)量增加，降低汽車尾氣排放是現(xiàn)階段亟需解決的問題。與此同時(shí)，不可再生能源的大量使用，原油價(jià)格上漲，傳統(tǒng)汽車使用成本增加，結(jié)合汽車目前增長(zhǎng)速度分析，能源匱乏情況對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要制約作用。從環(huán)保以及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展角度分析，使用清潔無污染的交通工具是交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)環(huán)保經(jīng)濟(jì)的重要發(fā)展趨勢(shì)。相比于燃油汽車，電動(dòng)汽車可以滿足交通以及人們健康生活方式需求。解決電動(dòng)汽車的電源問題，會(huì)擴(kuò)大汽車的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營(yíng)規(guī)模。

1 電動(dòng)汽車發(fā)展電源問題解決難點(diǎn)與關(guān)鍵點(diǎn)分析

1.1 電池管理系統(tǒng)解決

電池使用中，需要解決單體高效率長(zhǎng)壽命均衡化系統(tǒng)管理。鋰離子電池實(shí)現(xiàn)均衡性放電是電池實(shí)際管理的重要問題，在串聯(lián)過程中，充電會(huì)具有單體電壓較高情況，相比于組內(nèi)其他的電池使用，其已經(jīng)進(jìn)入到過充電情況，也就是說充電電壓超過了限制電壓。在這一時(shí)刻，出現(xiàn)在恒流階段中，在電流強(qiáng)度影響下，電壓、溫升以及內(nèi)壓會(huì)持續(xù)增加。處于恒壓階段，電流強(qiáng)度較小時(shí)，其過充電癥狀并不顯著，相比于恒流階段會(huì)較小。在過充電過程中電池容量銳減，電池會(huì)失效。放電過程中，在后期階段，電壓會(huì)逐漸接近馬尾曲線，這一過程中單體容量的分布狀態(tài)是正態(tài)，并且電壓分布方式具有復(fù)雜性，其中容量較小的單體電壓會(huì)逐漸跌落，這一階段其他電池電壓并不顯著?，F(xiàn)階段使用的均衡方式主要是充電單向平衡以及充放電過程的雙向平衡，使用的能量消耗方式并不能滿足大功率單體均衡需求，因此需要使用能量回饋方式的新型化均衡電路，如圖1所示。

1.2 安全問題

在動(dòng)力鋰離子電池使用中，阻礙其大規(guī)模使用的重要因素是鋰離子電池安全性，其中化學(xué)性以及可燃物質(zhì)影響，鋰離子電池過充以及過放電情況或者是溫度上升都會(huì)造成燃爆問題出現(xiàn)?；谶@一情況，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度，以及出現(xiàn)異常上升情況原因，準(zhǔn)確判斷溫度的變化趨勢(shì)，保證電池組使用的安全性。

1.3 電池殘存容量預(yù)估

鋰離子動(dòng)力電池對(duì)使用的充電器要求較高，因此電路的保護(hù)是十分重要的，其充電方式主要是恒流恒壓，因此控制精度需要予以保證。在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)需要電池提供剩余電量，供電時(shí)間信號(hào)也需要預(yù)估，保證控制器可以全面掌握電池狀態(tài)，以此制定相應(yīng)的控制策略，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。在電池使用過程中，剩余電量會(huì)受到多種因素影響，這一過程中電池的放電電流、溫度等均與參數(shù)數(shù)據(jù)具有重要聯(lián)系，也會(huì)表現(xiàn)出較大的非線形特性。

2 動(dòng)力鋰離子電池安全性材料影響分析

2.1 正極材料影響

在鋰離子電池組成中，正極材料在充電狀態(tài)較高情況下會(huì)存在不穩(wěn)定性，期間會(huì)逐漸分解并且釋放相應(yīng)的氧氣，這一過程中會(huì)與有機(jī)電解液燃燒之后釋放出反應(yīng)熱，正極材料中的活性物質(zhì)會(huì)與電解液直接反應(yīng)，這一因素也是鋰離子電池發(fā)生起火爆炸的重要原因。

在正極材料處理中主要使用的措施是核殼結(jié)構(gòu)以及表面包覆、摻雜方式，提高電池使用安全性。相關(guān)研究人員使用差示掃描量熱法對(duì)正極材料中的粒徑以及包覆等因素進(jìn)行測(cè)試，分析其中的熱穩(wěn)定性。在經(jīng)過相應(yīng)研究之后，認(rèn)為使用大顆粒物質(zhì)可以降低正極材料與電解液反應(yīng)的熱量。使用合理化的包覆量可以降低正極材料反應(yīng)的熱量，反應(yīng)起始溫度也可以有效提高。針對(duì)材料的摻雜，相關(guān)研究人員使用加速量熱儀研究正極材料在50 ～250 ℃中的熱行為，在實(shí)現(xiàn)摻雜之后，熱反應(yīng)開始溫度由140 ℃逐漸提升到150 ℃，這一因素對(duì)電池安全具有決定性因素，其中產(chǎn)生的放熱反應(yīng)熱量會(huì)低于沒有摻雜的材料。沒有摻雜的材料反應(yīng)絕熱溫升數(shù)值在61 ℃，反觀摻雜材料只有41 ℃，對(duì)正極材料的穩(wěn)定性具有積極作用。

2.2 負(fù)極材料影響

使用負(fù)極材料的主要安全性影響是在充放電過程中鋰枝晶產(chǎn)生以及出現(xiàn)的熱分解副反應(yīng)。將商用石墨作為例子，在實(shí)際使用中，商用石墨負(fù)極在首次充放電過程中，石墨負(fù)極材料與電解液共同工作時(shí)會(huì)發(fā)生反應(yīng)，出現(xiàn)絕緣保護(hù)膜，形成包覆作用，在負(fù)極材料表面位置。這一保護(hù)膜的使用會(huì)起到相應(yīng)的保護(hù)作用，防止負(fù)極材料與電解液接觸過程中出現(xiàn)更加嚴(yán)重的副反應(yīng)。在溫度從80℃上升到120 ℃時(shí)，保護(hù)膜會(huì)出現(xiàn)分解現(xiàn)象，伴隨分解程度逐漸加劇，石墨負(fù)極材料的保護(hù)作用也會(huì)喪失，這時(shí)內(nèi)部的鋰就會(huì)與電解液接觸，出現(xiàn)放熱反應(yīng)。對(duì)負(fù)極材料使用的安全性，研究人員開展了相應(yīng)的深入研究，解決了負(fù)極材料中出現(xiàn)鋰枝晶問題，在電解液中調(diào)整優(yōu)化，添加成膜添加劑，以提升保護(hù)膜的穩(wěn)定性。

2.3 電解液

現(xiàn)階段使用最多的就是電解液，但其在使用中熱穩(wěn)定性以及化學(xué)穩(wěn)定性并不好，對(duì)動(dòng)力電池安全性以及循環(huán)性能提升具有阻礙作用，針對(duì)這類物質(zhì)應(yīng)用研究，可以研發(fā)相應(yīng)的功能添加劑，或者是新型電解質(zhì)鋰鹽，對(duì)有機(jī)電解液穩(wěn)定性提升具有積極作用。在鋰離子電池應(yīng)用中，在液體電解質(zhì)中使用的阻燃劑主要是有機(jī)磷化合物以及相應(yīng)鹵化衍生物。研究人員認(rèn)為使用磷酸二苯-辛酯可以降低電解液中的可燃性。使用有機(jī)電解液過程中增加硅烷以及硼酸酯等相應(yīng)阻燃物質(zhì)，同樣可以改善電池使用的安全性。添加劑的使用選擇過充保護(hù)添加劑，其中主要?jiǎng)澐譃檠趸€原添加劑以及電聚合添加劑，前一種物質(zhì)會(huì)從過充可逆性保護(hù)電池，后者物質(zhì)會(huì)終止電池工作，相關(guān)氧化還原物質(zhì)針對(duì)添加劑高充電電壓使用過程中，初始階段為正極上氧化，氧化產(chǎn)物會(huì)不斷擴(kuò)散，直至負(fù)極被還原，還原產(chǎn)物不斷擴(kuò)散，直至正極氧化后，這一過程會(huì)呈現(xiàn)不斷循環(huán)狀態(tài)，直到充電結(jié)束。電聚合添加劑會(huì)在電池充電到一定電勢(shì)時(shí)，陰極表面會(huì)生成相應(yīng)的導(dǎo)電聚合物，以此造成電池內(nèi)部出現(xiàn)微短路，這一過程電池會(huì)放電，直到其呈現(xiàn)安全狀態(tài)。

電解液穩(wěn)定性措施還有一種是轉(zhuǎn)變?nèi)軇┗蛘呤卿圎}的類型。現(xiàn)階段使用較為有效的是雙草酸硼酸鋰電解質(zhì)。這一物質(zhì)在使用中，存在吸熱過程，伴隨溫度不斷增加，放熱過程較為顯著，電解質(zhì)的初始放熱溫度始終高于200 ℃，并且這一過程中的放熱量數(shù)值也會(huì)較低。

2.4 隔膜材料安全性影響分析

動(dòng)力鋰離子出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象，在不斷變化過程中，隔膜會(huì)經(jīng)歷閉孔以及熔斷兩個(gè)階段。伴隨溫度不斷上升，隔膜會(huì)出現(xiàn)閉孔，并且溫度不斷上升，溫度會(huì)產(chǎn)生熔斷，其中分隔正極以及負(fù)極的功能也會(huì)喪失，其中正負(fù)極出現(xiàn)接觸情況，內(nèi)部短路。使用不同隔膜閉孔以及熔斷特性存在差異性，相關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)，隔膜出現(xiàn)熔化，其溫度為130 ～140 ℃，并且聚乙烯隔膜溫度為160 ～170 ℃。分析隔膜設(shè)計(jì)因素，在這一角度提升電池使用安全性，首先需要設(shè)計(jì)性能較為優(yōu)越的隔膜，熱誘導(dǎo)性能突出，存在阻斷特性;使用復(fù)合性隔膜，具有高熱穩(wěn)定性;重視隔膜設(shè)計(jì)的阻燃性;使用三層結(jié)構(gòu)隔膜，中間層材料為保護(hù)層，在電池內(nèi)部逐漸升溫，其溫度接近臨界點(diǎn)后，其中多孔中間層會(huì)出現(xiàn)部分熔化情況，封閉膜孔，防止電解液出現(xiàn)遷移問題。其中上下兩層會(huì)存在相應(yīng)的機(jī)械支持，防止電池內(nèi)部出現(xiàn)短路情況。同時(shí)可以使用熱響應(yīng)保護(hù)層，將其作為電池負(fù)極或者是隔膜層，凸顯其中的誘導(dǎo)阻斷特性。在電池的內(nèi)部溫度達(dá)到臨界值時(shí)，負(fù)極隔膜會(huì)出現(xiàn)阻斷屏障，電池會(huì)停止工作，繼續(xù)產(chǎn)熱現(xiàn)象也會(huì)停止。使用復(fù)合性隔膜熔點(diǎn)相對(duì)來說較高，并且機(jī)械強(qiáng)度高，具有較高的熱導(dǎo)率。電池正常工作時(shí)，處于工作溫度范圍內(nèi)，使用聚合物外殼可以避免阻燃劑出現(xiàn)溶解情況，防止其進(jìn)入到電解液中。熱失控出現(xiàn)時(shí)，溫度不斷升高，聚合物中的保護(hù)層會(huì)不斷熔化，隔膜這一過程中也會(huì)不斷釋放出阻燃劑，對(duì)易燃電解液燃燒情況具有抑制作用，防止電池燃燒。

3 結(jié)束語

電動(dòng)汽車的應(yīng)用需要鋰離子動(dòng)力電池支持，但電池使用過程中由于溫度升高造成的安全性問題一直是這一領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，對(duì)電動(dòng)汽車的應(yīng)用擴(kuò)大產(chǎn)生了制約作用。使用合理的正極與負(fù)極材料，重視電解質(zhì)與電解液使用，利用包覆作用或者是增加阻燃劑等方式，提高電池使用的熱穩(wěn)定性。在電池電極制造以及裝配過程使用的工藝都會(huì)對(duì)電池使用安全性造成影響，使用針對(duì)性解決措施改善電池安全，避免隱患發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1] 邵丹，駱相宜，鐘燦鳴，等.動(dòng)力鋰離子電池安全性研究的進(jìn)展[J].電池，2020（1）：86-89.

[2] 梁國(guó)周，張一鳴，田爽，等.鋰離子電池針刺安全性研究概覽[J].電源技術(shù)，2016，40（12）：2472-2475.

[3] 馬留可，馬小路，陳成，等.動(dòng)力鋰離子電池用聚烯烴隔膜改性研究進(jìn)展[J].電源技術(shù)，2018，42（3）：452-454.

[4] 吳明霞，劉攀，崔嬌嬌.鋰離子電池?zé)岚踩匝芯窟M(jìn)展[J].科學(xué)與財(cái)富，2019（33）：18.

[5] 董緹，彭鵬，曹文炅，等.鋰離子電池?zé)峁芾砗桶踩匝芯縖J].新能源進(jìn)展，2019，7（1）：50-59.

[6] 王爽，杜志明，張澤林，等.鋰離子電池安全性研究進(jìn)展[J].工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2018，40（8）：12-20.

[7] 王淮斌，杜志明.低壓環(huán)境下鋰離子電池安全性研究進(jìn)展[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2019，38（6）：884-890.

[8] 廖正海，張國(guó)強(qiáng).鋰離子電池?zé)崾Э卦缙陬A(yù)警研究進(jìn)展[J].電工電能新技術(shù)，2019，38（10）：64-69.