锂离子动力电池安全问题及技术分析

锂离子动力电池安全问题及技术分析

王小华、孟小平、王福芳

河南华瑞高新材料有限公司 河南省新乡市 453000

摘要:锂离子动力电池具有高比能量、长循环寿命等特点，进行了大规模的推广应用，是目前电动汽车的主流动力来源。然而，由于近几年国内出现多起动力电池引发的安全事故。综述介绍并分析了近几年国内外发生的锂离子几例动力电池典型安全事故及其原因分析，详细讨论了动力电池热失控机理及热扩散危害，重点对电池设计、电池材料、电池制造和电池使用等方面分析了动力电池安全防控技术研究进展进行了概述，并展望动力电池的未来发展方向。

关键词 : 锂离子动力电池;安全性能;热失控;

为提倡保护环境，发展新能源，安全并有效降低碳排放量[1]，新能源汽车已经成为中国“十二五”规划中大力培育和发展新能源汽车，我国动力电池行业进入快速成长阶段。锂离子动力电池作为电动汽车的动力来源，以及在国家科技部、工信部的持续引导和支持下，我国动力电池的研发水平、工程化能力和产业规模得到了快速提升。锂离子动力电池，具有高比能量、环境友好及长寿命等特点。然而因热失控引发的电池安全问题仍然是目前动力电池发展的阻碍。本文介绍了近几年国内外发生的动力电池典型安全事故，并总结分析原因，详细讨论了动力电池热失控机理及危害，重点对电池设计、电池材料、电池制造和电池使用等方面分析了动力电池安全防控技术研究进展进行了概述，并展望了未来的发展趋势。

1 动力电池安全事故及原因分析

1. 1 安全事故分析

锂离子电池比能量高，电解液属于易燃易爆液体，在电池经过机械撞击、针刺及内部短路等情况会已发电池热失控，导致电解液泄露，电池起火、冒烟、爆炸等事故，所以研究电池的安全特性，揭示事故原因，对解决动力电池系统安全性问题十分必要。

1. 2 热失控机理及危害

国内外学者对电池热失控机理进行大量研究。动力锂离子电池热失控反应过程。由于内部短路、外部加热，或者电池在大电流充放电时自身发热，发生热引发，产热速率大于散热速率，电芯中的 SEI 膜、电解液、正负极等在高温下发生一系列热失控反应(热分解等)，使电池内部温度快速升高，直到某一温度点，放热速率迅速增加，电池内部能量将会在瞬间剧烈释放，此过程不可逆且不可控，称为热失控，此温度称为热失控触发温度 。通常，电池热失控后发生剧烈升温(高达 1 000℃)，并可能伴随冒烟、燃烧及爆炸等现象。[1]

动力电池都是有许多电池单体构成，局部单体热失控触发后，其释放的热量将迅速向周围传播，极易触发周围电池的热失控，将会带来极大的危害。因此，要防范电池出现安全事故，应确保单体的安全性能以及电池组的安全性能。

2 动力电池安全防控技术

近年来，国内外有关动力电池安全防控技术研究已成为全球关注热点。根据热失控机理，国内外学者有针对性地开展大量电池安全防控技术研究。主要分为以下几个方面:（1）选择热稳定性的电池材料，如正极材料及隔膜；（2）研究开发安全性、难燃电解液；（3）优化电池的制作工艺；（4）电池组安装安全保护电路等方面。

2.1电池材料-正极材料、隔膜

正极材料能量密 度和功率密度低，并且也是引发锂离子电池安全隐患的主要原因。正负极材料的结构对锂离子的嵌入和脱嵌有决定性影响，因而影响着电池的循环寿命。使在锂离子电池滥用的条件下，随着电池内部温度的升高，正极发生活性物质的分解和电解液的氧化．这两种反应将产生大量的热，导致电池温度升高。寻找热稳定性较好 的正极材料是锂离子动力电池的关键。层状 LiCoO2 、 LiNiO2 、 尖 晶 石 LiMn2O4 和橄榄 石 LiFePO4 是目前研究较多的正极材料[2]。

隔膜本身是电子的非良导体，但也允许电解质离子通过。隔膜材料还必须具备良好的化学、电化学稳定性和机械性能以及在反复充放电过程中对电解液保持高度浸润性；还要有耐刺穿性能。以表面包覆等形式在隔膜表面复合陶瓷微粒，制备复合隔膜，能够减少隔膜在高温下的热收缩，从而阻止电池的短路，提高电池的安全性［3］。

2.2研究开发安全性、难燃电解液

研究开发高安全型，难燃型电解液。选择高闪点、高沸点的溶剂体系，降低电解液的饱和蒸气压，并且在电解液中添加少量防过充添加剂如联苯BP[4]、CHB。其中联苯能在电极表面发生电聚合反应，生成表面光滑致密的聚合膜，能有效地阻止锂离子的嵌入和脱出，通过自放电使电池处于安全状态；

另外在电解液中添加5%-10%的磷腈类物质，使电解液不燃烧的同时仍保持良好的电化学性能。

2.3电池组安装安全保护电路，当发生热失控及扩展时，尽量降低事故的严重性。

电池的使用环境千差万别，不同的电池有不同的使用环境要求，甚至相同的电池使用环境也

有天壤之别，更要关注的是电池在误用或滥用条件下如何保证安全。为避免电池在滥用时由于电池内特定的能量输入导致组成物质物理或化学反应产生大量的热，需对不同结构的电池采用针对性设计。对于圆柱形电池，PTC常作为过流保护元件。而对于方形铝壳电池内部没有限流装置、并且由于铝比较软、易变形，只能靠电池外部装置 保证安全；

3 结论

随着电动汽车的大规模普及和锂离子动力电池比能量的提高，动力电池安全性技术研究仍是未来新能源方向的重要课题之一。面向大规模动力电池需求，开发和使用热稳定性高的材料、改进电池制造工艺是将来改善动力电池安全性能的根本途径和努力方向。其次，优化电池安全结构设计和开发全生命周期电池监测及应急处置技术等也是未来研究的工作重点。

参考文献：

1. 张向倩，高月，黄飞 “锂离子动力电池安全问题及防控技术分析”.现代化工,2019 39(8)7-8.

2. 杨蓉, 赵铭（女朱）, 汪飞等.锂离子电池正极材 料 LiFePO4 的研究.电池, 2004（12）: 460~461.

3. Pekala Ｒ，Patil Y，Peddini S，et al．Development of separators with inorganic fillers for advanced lithium ion batteries［A］．见: LithiumMobile Power 2010 ［C］． New York: Knowledge Foundation，2010: 155．

4. 肖利芬，艾新平，曹余亮，等.联苯用做锂离子电池过充安全保护剂的研究[J].电化学，2003，9（1）：23.