锂电池安全技术重要吗?

随着锂离子的发展,人们对锂离子电池的运用也越来越广泛,然而伴随着火灾事故也发生的较为频繁,因此向大家普及锂离子安全技术需要考虑的几点因素。

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一、 锂离子电池的危险性

锂离子电池从其自身的化学特性和体系组成上,决定了其是一种具有潜在危险的化学电源。

1 化学活性高

锂是元素周期表第二周期第I主族元素,具有极活泼的化学性质。

2 能量密度高

锂离子电池比能量极高(≥140Wh/kg),是镍镉、镍氢等二次电池的数倍,若发生热失控反应,就会放出很高的热量容易导致不安全行为的发生。

3 采用有机电解质体系

有机电解质体系的有机溶剂是碳氢化合物,分解电压较低,易发生氧化,并且溶剂易燃;若出现泄漏等情况,则会引起电池着火,甚至燃烧、爆炸。


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4 副反应概率大

锂离子电池在正常使用的过程中,其内部进行电能与化学能相互转化的化学正反应。但在某些条件下,如对其过充电、过放电或过电流工作时,就很容易会导致电池内部发生化学副反应;该副反应加剧后,会严重影响电池的性能与使用寿命,并可能产生大量的气体,使电池内部的压力迅速增大后爆炸起火而导致安全问题。

5 电极材料的结构不稳定

锂离子电池过充电反应会使正极材料的结构发生变化而使材料具有很强的氧化作用,使电解液中的溶剂发生强烈的氧化;并且这种作用是不可逆的,反应引发的热量如果积累则会存在引发热失控 的危险。


二、锂离子电池产品安全问题原因分析

锂离子电池产品经过30年的产业化发展,安全技术取得了长足的进步,有效地控制了电池内副反应的发生,保证了电池的安全性。但是,随着锂离子电池的使用越来越广泛,能量密度越来越高,近年来还是屡屡发生爆炸伤人或因安全隐患召回产品等事件。我们总结造成锂离子电池产品安全问题的原因主要有以下几点:

1 电芯材料问题

电芯所用的材料包括:正极活性物质、负极活性物质、隔膜、电解质和外壳等,材料的选用和所组成体系的匹配决定着电芯的安全性能。在选用正、负极活性材料和隔膜材料时,厂家没有对原材料特性和匹配性进行一定的考核,造成了电芯安全性的先天不足。

2 生产工艺问题

电芯原材料检测不严,生产环境差,导致生产中混入杂质,不仅对电池的容量有较大的不利,对电池的安全性也有很大的影响;另外,电解液中如果混入了过多的水分, 可能就会发生副反应而增大电池内压,对安全造成影响;由于生产工艺水平的限制, 在电芯的生产过程中,产品无法达到良好的一致性,比如电极基体平整度差、电极活性材料出现脱落、活性材料中混入其它杂质、极耳焊接不牢、焊接温度不稳定、极片边缘有毛刺以及关键部 位无使用绝缘胶带等问题,都可能会对电芯的安全 性带来不利的影响。


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3 电芯设计缺陷,安全性能降低

在结构设计上,许多对安全有影响的关键点没有被厂家重视,如关键部位没有绝缘胶带,隔膜设计没有留有余量或余量不足,正负极容量比设计不合理,正负极活性物质面积比设计不合理,极耳长度设计不合理等,这些都可能对电池的安全性埋下隐患。另外在电芯的生产过程中,一些电芯生产厂家为了节省成本和提高性能,尽量节省和压缩原材料,如减少隔膜面积、减薄铜箔、铝箔以及不使用泄压阀、不使用绝缘胶带等,这些都会降低电池的安全性。

4 能量密度过高

目前市场上都在追求更高容量的电池产品,厂家为了增加产品竞争力,不断提高锂离子电池的体积比能量,这在很大程度上增加了电池的危险性。

三、安全技术

虽然锂离子电池具有诸多危险隐患,但是在特定的使用条件下,以及采用一定的措施是可以有效地控制电芯内副反应和剧烈反应的发生,保证其使用安全的。下面就简单介绍几种锂离子电池常用的安全技术。

1 选用安全系数更高的原材料

选用安全系数更高的正负极活性材料、隔膜材料和电解液。

a)正极材料的选择

正极材料的安全性主要基于以下3个方面:

1 材料的热力学稳定性;

2 材料的化学稳定性;

3 材料的物理性能。

b)隔膜材料的选择

隔膜的主要作用是将电池的正、负极分隔开,防止正负极接触而短路,同时具有使电解质离子通过的能力,即具有电子绝缘性和离子导通性。锂离子电池选用隔膜时应注意以下几点:

1 具有电子绝缘性,保证正负极的机械隔离;

2 有一定的孔径和孔隙率,保证低的电阻和高的离子电导率;

3 隔膜材料具有足够的化学稳定性,必须耐电解液腐蚀;

4 隔膜要有自动关断保护的功能 ;

5 隔膜的热收缩率和变形性要尽可能地小;

6 隔膜要具有一定的厚度;

7 隔膜要具有较强的物理强度并有足够大的抗穿刺的能力。


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c)电解液的选择

电解液是锂离子电池的重要组成部分,在电池正负极之间起着输送和传导电流的作用。锂离子电池使用电解液是以适当的锂盐溶解在有机非质子混合溶剂中而形成的电解质溶液。它通常应满足以下几方面的要求:

1 化学稳定性好, 与电极活性物质、集流体和隔膜不发生化学反应;

2 电化学稳定性好,具有较宽的电化学窗口;

3 锂离子电导率高,电子电导率低;

4 液态温度范围宽;

5 安全无毒,对环境友好。

2 加强电芯整体安全性设计

电芯是将电池各种物质组合起来的纽带,是正极、负极、隔膜、极耳和包装膜等系统之集成,电芯结构设计,不单影响到各种材料性能的发挥,还对电池的整体电化学性能、安全性能产生重要的影响。材料的选择与电芯结构设计正是一种局部与整体的关系,在电芯设计上,应该结合材料特性来制定合理的结构模式。

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