JFD:锂电池安全问题真的无解吗?
10/24/2016 作者: 来源:

近些年手机和笔记本电池燃烧爆炸早已不能吸引眼球,电动汽车爆燃和锂电工厂的大火才算是新闻。而最近发生的Samsung Galaxy Note 7 大范围电池起火爆炸事件,再次将锂离子电池的安全性问题推到了风口浪尖。

  除了使用状况方面的外部因素,锂离子动力电池的安全性主要取决于基本的电化学体系以及电极/电芯的结构、设计和生产工艺等内在因素,而电芯所采用的电化学体系则是决定电池安全性的最根本因素。笔者这里将从几个不同的角度来分析锂离子电池的安全性问题。

  热力学的角度:研究已经证实,不仅仅是在负极,正极材料的表面也覆盖一层很薄钝化膜,覆盖在正负极表面的钝化膜对锂离子电池各方面性能均会产生非常重要的影响,并且这个特殊的界面问题只有在非水有机电解液体系才存在。笔者这里要强调的是,从费米能级的角度而言,现有的锂离子电池体系在热力学上是不稳定的,它之所以能够稳定工作是因为正极和负极表面的钝化膜在动力学上隔绝了正负极与电解液的进一步反应。

  因此,锂电的安全性与正负极表面的钝化膜的完整和致密程度直接相关,认识这个问题对理解锂电的安全性问题将是至关重要的。

  热传递角度:锂离子电池的不安全行为(包括电池在过充过放、快速充放电、短路、机械滥用条件和高温热冲击等情况)容易触发电池内部的危险性副反应而产生热量,直接破坏负极和正极表面的钝化膜。

  当电芯温度上升到130℃以后,负极表面的SEI膜分解,导致高活性锂碳负极暴露于电解液中发生剧烈的氧化还原反应,产生的热量使电池进入高危状态。当电池内部局部温度升高到200℃以上时,正极表面钝化膜分解正极发生析氧,并继续同电解液发生剧烈反应产生大量的热量并形成高内压。当电池温度达到240 ℃以上时,还伴随锂炭负极同粘结剂的剧烈放热反应。

  可见,负极表面SEI膜的破损从而导致高活性嵌锂负极与电解液的剧烈放热反应,是导致电池温度升高进而引发电池热失控的直接原因。而正极材料的分解放热只是热失控反应其中的一个环节,甚至都不是最主要的因素。

  磷酸铁锂(LFP)结构非常稳定通常状态下不发生热分解,但是其它危险性副反应在LFP电池中仍然存在,因此LFP电池的“安全性”只是相对意义上的。从以上分析我们可以看到,温度控制对锂电安全性的重要意义。相对于3C小电池而言,大型动力电池由于电芯结构、工作方式和环境等多方面的因素导致散热更加困难,因此大型动力电池系统的热管理设计至关重要。

电极材料的可燃性:锂电采用的有机溶剂都具有易燃性并且闪点过低,不安全行为导致的热失控很容易点燃低闪点的可燃性液体组分而导致电池燃烧。锂电负极碳材料、隔膜和正极导电碳也具有可燃性。

锂电发生燃烧的几率高于电池爆炸的几率,但电池爆炸必定伴随着燃烧。此外,当电池开裂并且外界环境的空气湿度较高时,空气中的水分和氧气极易与嵌锂的碳负极发生剧烈的化学反应放出大量的热进而引起电池的燃烧。电极材料的易燃性是锂离子电池相对于水系二次电池的一大不同之处。