锂离子电池安全性能测试及其影响因素分析

锂离子电池安全性能测试及其影响因素分析

高海玲尹敏帅李瑞（通讯作者）

天津市捷威动力工业有限公司  天津市  300380

摘 要：随着新技术的开发和提高，锂离子电池在国内外的使用也越来越普遍，如汽车，电动自行车，电源设备等。由于锂电池的应用日益普遍，在应用过程中出现的爆炸、自燃等重大安全事故也相应增加。所以，必须要做好对锂离子电池安全的检测与评估工作，要和锂离子电池所使用的实际状况相结合，并建立出一个科学合理的检测与评估办法，以便于把重大安全事故的风险减至最小化。

关键字：锂离子电池；安全性能测试；影响因素

随着时间的推移，国家经济利益的增加，有关部门对锂离子电池的关注也越来越多。但是，为了确保锂离子电池的安全性，需要采用陶瓷涂层对其进行覆盖，这样就可以避免在锂离子电池应用过程中产生的问题。但是，大量使用陶瓷涂层隔膜的公司还很少，很难提高锂离子电池的安全性，因此，这种应用方式还需进一步研究，以使锂离子电池安全的核心性能体现出来。

1锂离子电池安全性测试

1.1短路试验

举例来说，在60Ah公三原材料电池模块短路测试的流程中，满电态系统的最大电流约为20.4V，而热短路器电阻则为3mΩ，在实际试验中，短路流程中的瞬时最低电流大约为3293A，热电池的持续最高释能电流则约为3000A，而在此时，锂离子脱嵌电池内部就会产生巨大的热量，电池的工作温度在持续提高中，在如此高温条件下，热电池内还会产生正负两极材料、电解质溶液中的放热反应和产气反应。电池完全蒸发后，电解液和可燃体会一起冲破电池壳层，弥散在附近空气中，当形成高温气体时，就会产生闪点非常低的流线型碳酸酯，从而引起电池内部起火，还可能由于短路而发生电池外壳起火的现象。

1.2过充测试

当电压靠近4.8V时，电池的表面温度逐渐增大。在实验中，缠绕式软包装的电池先是发生了胀气鼓包现象，并于25分钟后完全着火了。叠片式软包电池在实验时也发生了胀气鼓包的现象，最大工作温度达到96℃。不过，由于18650形钢壳电池自身的安全阀的功能，在电解液分解后形成的气体温度超过内部耐压下限值的时候，安全阀就将自行开启，由此使得其自身的工作温度大大地降低，最大工作温度达到了70℃，而且也不会产生明显的胀气和漏液情况。产生上述反应的主要原因是，当电池过充的时候，正极较多的锂离子会在电解液的影响下通过隔膜，移动到负极。当碳在负极的嵌锂量不够的时候，它就以金属锂的方式积聚于负极表面，这样一来就很容易产生树枝型锂枝晶，会刺穿电阻层，从而导致电池的短路。电池如果发生了严重问题，则不可避免的就会导致过热，膨胀，烧毁，乃至自爆。而卷绕式软包电池的最大的问题就在于此，由于在卷绕式电芯内，卷绕电芯中正负极片之间有较大的压紧度，在过充过程中，所产生的金属锂枝晶很容易刺穿隔膜，因此导致短路事故的产生。

1.3挤压试验

单体挤出一般使用半径75mm的半圆柱体(半圆柱体的长度比被挤压电池的尺寸大)，挤出方向与蓄电池极板方向相等。电压达到0V或变形量达到30%或挤压力达到200kN，观察1h，以(5±1)毫米/秒的速率，把电池挤压至以上状态中的一个后，立即停机。此工程中电池应不爆炸、不起火。

2锂离子电池安全性能测试及其影响因素

锂离子电池的内部组成包括正负极、电解质、隔膜。在此基础上，将电极接线片进行焊接，并将外包装进行包裹，从而形成一个完整的电芯。在完成初始充放电、形成、容量划分等步骤之后，电池就可以出厂使用了。该过程首先要做的是对材料进行选择，对材料安全性产生的影响了解清楚。

2.1正极材料

在锂离子电池的应用中，正极材料还会对电池的热稳定性、过充安全等产生影响。正极材料在过充电时极易因内部产热而发生分解，尤其是在过充电时，由于电解质在较高的压力下不稳定，会与正极活性物质发生副反应，从而产生大量的反应热量，使电池内部温度不断上升，同时也会造成正极材料结构的改变和氧的释放，从而造成电池的热失控。

2.2负极材料

阳极材料的选用直接关乎着锂离子脱嵌电池的安全，具体如下：第一，SEI膜，SEI膜不是完全稳定的。当锂离子电池的温度达到一定的高温时，SEI膜开始分解，在极高的温度下开始发生自热反应，这可能导致失控的加热；第二，正极和电解液之间产生的化学反应，当化学反应进行到一定程度后，嵌入在正极内的锂离子或动力电池就会和一部分有机溶剂产生化学反应，但由于这种电解液的易燃易爆点相当低，在高温下超过一定程度时，就会产生起火或者爆炸。第三，是胶接，胶接的不恰当使用会导致高容量电极材料的稳定性与整体性降低，进而对电池的安全运行产生不利影响。

2.3电解液的影响

锂离子电池的电解液主要是由有机碳酸盐构成的，属于可燃性物质，通常使用的是六氟磷酸锂，它存在着热分解放热反应。与此同时，在制造电池的过程中，如果液体注入过少，就会造成电池内阻变大，产生过多的热量，随着温度的上升，就会引起电解液的分解，产生气体，从而造成电池的膨胀。当电池的内部温度超过了薄膜的温度后，薄膜就会被热而收缩，进而和正、负极碰撞，从而导致电池的短路、自爆。一旦加入的液体过多，则会造成电池内压力过大，造成外壳破损，电解液溢出，电池和气体碰撞会引起爆炸。

2.5外部因素

外部因素主要指的是对锂离子电池使用不当，比如过充电、过放电，或者电池外部受到冲击挤压等外力，导致电池发生形变，内部结构损失等情况，从而导致安全事故的发生。如果情况严重的话，还会引发火灾，给人们的生命财产安全带来威胁。

3锂离子电池安全问题的应用措施

3.1做好电池材料优选与电池优选工作

在锂离子电池的安全应用措施中，主要工作包括：对电池材料和电池进行优化，从正极、负极、隔膜、电解质等材料入手，对其热稳定性进行改善，从而提升锂离子电池的安全性。在正极材料方面，通常采用的涂层改性能够阻止正极材料与电解质的直接接触，从而抑制相变的发生，提升正极结构的稳定性。阳极材料可改善 SEI薄膜的热稳定性，减弱氧化，金属化合物的沉积和碳包覆；在隔板上，可以从气孔率、闭合温度、破裂温度、击穿强度和均匀性等方面来改善电池的安全性；为了改善锂离子电池的安全性能，可在电解质中加入阻燃、耐高电压等助剂。

3.2建立多级防护机制

针对锂离子电池的安全性问题，提出了一种新的解决方案，即采用多层次的防护措施，并结合实际应用，提出一种基于多层次防护措施的锂离子电池安全性评价方法。如遇火警，能立即自动扑灭。为了使锂电池的操作安全最大化，安装一个警报系统。

3.3开发固态锂电子电池

现在所用的锂离子电池，大部分都是液态的锂离子电池，它的稳定性比较低，在使用过程中出现安全事故的几率也比较高，所以一定要加强对固态锂离子电池的研究，在使用过程中，固体锂离子电池出现腐蚀、泄漏的几率相对较高，固体电解质主要分为两类，一类是有机电解质，另一类是无机电解质，在选择的时候，要结合实际情况进行合理的选择，才能保证固体电解质发挥出最大的作用。相对于液体锂离子电池，固体锂离子电池的应用前景更为广阔。

4结束语

在使用锂离子电池的过程中，必须要注重保证它的使用安全性，因为在不同的使用环境下，所产生的影响因素也是不一样的，者对锂离子电池的安全性造成很大的影响。在这种情况下，实践中必须要注重对有关影响因素进行深入的分析，采取行之有效的技术来对其进行改进，从而保证电池的使用安全。

第一作者简介：高海玲（1987.03-），女，河南延津人，汉族，硕士学历，工程师，研究方向(主要从事的工作）:锂离子电池。

第二作者简介：尹敏帅（1994.01-），男，河北保定人，汉族，硕士学历，工程师，研究方向(主要从事的工作）:锂离子电池。

通讯作者简介：李瑞（1990.01-），男，江苏宿迁人，汉族，博士学历，工程师，研究方向(主要从事的工作）:锂离子电池。