動力電池行業在2018年發生的翻天覆地的變化，感受最深的就是三天兩頭就能看到有電動車量起火燃燒甚至爆炸，剛開始令人觸目驚心，后來不知怎么看到后就當成娛樂新聞了。難道這就是所謂的債多了不愁，虱子多了不癢？
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2019年第一篇打算和大家一起學習下關于鋰離子電池的安全性方面的文章，重點講的是電池內部的反應熱來源和產生原因，以及電池在加熱，過充，短路狀態下發生爆炸的機理。
1，鋰離子電池的反應熱來源分析
當電池正常使用以及被濫用的過程中電池內部會發生一些列的電化學反應，涉及到正極，負極，電解液，隔膜，當內部反應熱累積到一定程度的時候就會有起火爆炸的危險。反應熱的來源主要有以下幾個方面。
1.1，SEI的分解反應
SEI是負極和電解液之間的一層鈍化膜阻止負極和電解液之間的進一步反應，但是當溫度升高到一定程度時就開始分解（實際上SEI分為兩層-穩定層和亞穩定層）亞穩定層在80-120℃開始分解為穩定層，反應過程為放熱。隨著負極比表面的增加SEI增加，分解反應的放熱量也會增加。
1.2，嵌鋰碳和溶劑之間的反應
當溫度升高時 ,SEI 膜不能保護負極的情況下溶劑會和金屬鋰發生反應:
1.3，嵌鋰碳和PVDF粘結劑的反應（油性負極）
有研究表明，當電池內部溫度超過260℃時LixC6會和PVDF發生如下反應：
反應的焓變隨著x值和碳負極的比表面的增加而增加，指出LiC6 與PVDF的反應起始溫度在240℃，290℃出現放熱峰，在350℃完全反應，放熱量為1500J/g
由上表可得出以下結論：
第一是負極表面主要存在3種放熱反應
(1)SEI膜的分解反應
(2)LixC6與溶劑的反應
(3)LixC6與粘結劑的反應。
SEI膜的分解和LiXC6與溶劑反應有時同時進行，有人把這兩種反應都認為是LixC6與溶劑的反應。
第二，SEI膜的分解反應一般在100℃左右，放熱量很低，以此熱量來加熱電池，僅會使其升高幾度不會帶來危險。
第三，LixC6與溶劑反應的起始溫度和放熱量與x值、鋰鹽、溶劑有關，并且反應熱比較大在某種情況下可能是電池失控的主要原因。
第四，盡管粘結劑與LixC6的放熱量比較大,由于粘結劑在負極所占的比例有限,不會成為電池爆炸的主要原因。
1.4,電解液的分解反應
電解液的熱分解反應主要是在溫度升高時溶劑和鋰鹽的反應，如DEC比DMC更容易和LiPF6 、LiClO4 發生放熱反應，反應溫度基本在230-310℃之間，當體系中有少量水分存在的情況下反應溫度開始提前。鋰鹽LiF6的熱穩定性最差在170-330℃之間，有5個放熱反應，最主要的是LiF6的分解反應，在220℃時徹底分解。
另外當鋰離子電池充電電壓超過電解液的分解電壓時，電解液也會分解放出熱量，產生氣體。下表列出了不同電解液的分解電位:
1.5，正極的分解反應
常見的正極材料在溫度低于650℃時是穩定的，在充電時處于亞穩定狀態，溫度升高時發生如下反應。
放出的氧氣會使溶劑氧化：
正極是直接與電解液反應還是放出氧氣后發生反應有確切的說法嗎？
常見正極材料的DSC測試結果：
對正極材料熱穩定性分析可得出以下幾點結論：
第一，正極材料與溶劑的反應機理有待深入研究；
第二，正極的分解反應及其與電解液的反應放熱量比較大，在大多數情況下是造成電池爆炸的主要原因；
第三，采用三元或LFP正極材料相對LCO可以提高電池的安全性。
1.6，鋰金屬的反應
這里主要指的是鋰析出鋰枝晶，一般情況下金屬鋰的穩定性不如嵌鋰碳。當鋰離子電池過充時 ,鋰金屬沉積在負極表面 ,就可能發生金屬鋰與電解液的反應 ,大部分反應的起始溫度在鋰金屬的熔點180 °C左右。
1.7，正負極活性物質的焓變
鋰離子電池充放電時 ,鋰嵌入到正極材料中的焓發生改變。以LiCoO2 為正極材料的AA電池為例 ,以 36mA 進行充放電 ,熱量的吸收和放出雖然低于10mW,但是并不是低到忽略不記的程度。例如尖晶石LixMn2O4 的產熱特性 ,在充電速率<1C充電時 ,熱量的產生與擴散呈現可逆性 ;超過 1C時 則不可逆 (歐姆電阻和極化電阻占主導地位) 。
1.8,電流通過內阻產生熱量
由公式Q=I2RT可知內阻產生的熱量，當電池外部短路時電池內阻產熱占主導地位。
2,鋰離子電池的爆炸機理
鋰離子電池爆炸的因素很多 ,但其主要的原因是電池內部的高溫 、高壓都與產熱因素有直接的關系 。電池內部的產熱因素眾多 ,如果鋰離子電池內部的熱生成速率大于熱散失速率 ,則體系內的反應溫度就會不斷上升，其結果可能造成兩種極端情況 :
(1) 反應物質的溫度達到其著火溫度而發生火災 ;
(2) 由于鋰離子電池是一個封閉體系 ,隨體系內部溫度升高 ,反應速度加快 ,反應物蒸氣壓急劇上升。同時活性物質的分解活性物質與電解液的反應都會產生一定量的氣體 ,其結果 是在缺少安全閥保護或安全閥失效的情況下 ,電池內壓便會急劇上升而引起電池爆炸 。
常見的爆炸類型有以下幾種:
2.1,熱沖擊爆炸
以LCO電池為例，將其放入165℃環境中保持45min發生爆炸，隔膜溶解（PE 的熔點是 125 °C,PP 的熔點是 155 °C）電壓迅速降至0V電池表面溫度升高到200℃以上，電池的爆炸是由于溶劑的分解 、LiCoO2 分解 、LiCoO2 與電解液的反應產生大量的熱與氣體造成的。
2.2，過充爆炸
鋰離子電池過充時的電壓-溫度模式有3種形式
(1)當充電電壓超過4.5V,大量的鋰離子從正極溢出。若負極的嵌鋰能力很差，鋰離子便會沉積在負極表面形成枝晶使電池內部短路，電池的安全性明顯降低；
(2)若負極的嵌鋰能力比較強，隨著鋰離子從正極溢出溶劑被氧化(遠遠大于正常情況下的反應速度)，產生大量的熱使電池溫度升高，接著溶劑與負極的反應同時發生放出更多的熱。若充電電流很低，電池的熱穩定性好熱量生成速率與散熱速率達到平衡，電解液分解的產物增大電池的內阻，或隔膜關閉，電壓先升高燃后保持恒定，熱量不會失控；
(3)若充電電流很大，電池的穩定性還很差，電壓、溫度迅速升高，電池就會著火爆炸。
例如鋰離子電池充電到標準電量的 160%時 ,熱量急劇增加 ,可能是由于電解液的分解 、正極的分解反應產生大量的熱引起的 ,如果在電池內部加入散熱裝置來平衡熱量的釋放 ,電池的爆炸將會避免。
2.3，短路爆炸
分為外部短路和內部短路：正負極耳的直接接觸；裝配過程中出現的毛刺，隔膜皺褶以及粉塵均可引發內部短路，短路也可能引起電池的爆炸。
電池短路時 , 電流通過電池的瞬間產生大量的熱 ,加熱電池 ,使電池溫度升高的熱分解溫度導致電池爆炸。與加熱最大的區別是加熱產熱速率比較緩慢 ,各個反應依次進行 ,而短路狀態下 ,正極的熱分解反應可能發生在負極與溶劑反應之前。
2.4，其他情況
針刺：針刺造成的鋰離子電池爆炸原理與短路大致相同，針刺速度很快時針刺的部位產生大量的熱，使電池內部溫度升高到正極熱分解的溫度，正極分解導致電池爆炸。
撞擊：當鋰離子電池受到撞擊時，電極上過電壓損失產生熱量，促使溶劑與負極的反應，放出的熱量進一步加熱電池使正極熱分解，導致電池爆炸。
過放：鋰離子電池過放到1.0-2.0V時，部分電解液發生還原放出少量的熱。電壓達到0.7V后，金屬銅開始氧化井沉積在正極上，電池內部短路，電壓迅速降為0V,鋰離子電池變為Cu負極Cu正極電池膽電池表面溫度升高不明顯而不會發生危險。
3，防止鋰離子電池爆炸的措施
3.1，提高電池材料的熱穩定性
正極材料可以通過優化合成條件 ,改進合成方法 ,合成熱穩定性好的材料 ;或使用復合技術(如摻雜技術)、表面包覆技術(如涂層技術)來改善正極材料的熱穩定性。
負極材料的熱穩定性與負極材料的種類 、材料顆粒的大小以及負極所形成的SEI膜的穩定性有關 。如將大小顆粒按一定配比制成負極即可達到擴大顆粒之間接觸面積 ,降低電極阻抗 ,增加電極容量 ,減小活性金屬鋰析出可能性的目的。
SEI 膜形成的質量直接影響鋰離子電池的充放電性能與安全性,將碳材料表面弱氧化 ,或經還原 ，摻雜，表面改性的碳材料以及使用球形或纖維狀的碳材料有助于SEI膜質量的提高。
電解液的穩定性與鋰鹽 、溶劑的種類有關 。采用熱穩定性好的鋰鹽 ,電位穩定窗口寬的溶劑可以提高電池的熱穩定性 。在電解液中添加一些高沸點 、高閃點和不易燃的溶劑可以改善電池的安全性。
導電劑與粘結劑的種類與數量也影響著電池的熱穩定性，粘結劑與鋰在高溫下反應產生大量的熱 ,不同粘結劑發熱量不同 , PVDF 的發熱量幾乎是無氟粘結劑的2倍 ,用無氟粘結劑代替PVDF可以提高電池的熱穩定性。
3.2，提高電池過充保護能力
為防止鋰離子電池過充 ,通常采用專用的充電電路來控制電池的充放電過程 ,或者在單個電池上安裝安全閥以提供更大程度的過充保護 ; 其次也可采用正溫度系數電阻器(PTC),其作用機理為當電池因過充而升溫時 ,增大電池的內阻 ,從而限制過充電流 ;還可采用專用的隔膜 ,當電池發生異常引起隔膜溫度過高時 ,隔膜孔隙收縮閉塞 ,阻止鋰離子的遷移 ,防止電池的過充。
3.3，防止電池的短路
對于隔膜而言而言 ,孔率為40%左右 ,且分布均勻，孔徑為10nm的隔膜能阻止正負極小顆粒運動 ,從而提高鋰離子電池的安全性 ;
隔膜的絕緣電壓與其防止正負極的接觸有著直接的關系 ,隔膜的絕緣電壓依賴于隔膜的材質 、結構以及電池的裝配條件 ;
采用熱閉合溫度和熔融溫度差值比較大的復合隔膜 (如PP/PE/PP)可防止電池熱失控。將隔膜表面涂覆陶瓷層提高隔膜耐溫性。利用低熔點的PE(125℃) 在溫度較低的條件下起到閉孔作用 , PP(155℃) 又能保持隔膜的形狀和機械強度 ,防止正負極接觸 ,保證電池的安全性。
大家都知道以石墨負極替代金屬鋰負極 ,從而使充放電過程中鋰在負極表面的沉積和溶解變為鋰在碳顆粒中的嵌入和脫出 ,防止了鋰枝晶的形成 。但這并不代表鋰離子電池的安全性已經解決 ,在鋰離子電池充電過程中 ,如果正極容量過多 ,就會出現金屬鋰在負極表面沉積 ,負極容量過多 ,電池容量損失較嚴重。
涂布厚度及其均一性也影響鋰離子在活性物質中的嵌入和脫出 。例如負極面密度較厚 不均一 ,因此充電過程中各處極化大小不同 ,就有可能發生金屬鋰在負極表面局部沉積 。
此外 ,使用條件不當也會引起電池的短路 ,低溫條件下 ,由于鋰離子的沉積速度大于嵌入速度 ,從而導致金屬鋰沉積在電極表面引起短路。因此 ,控制好正負極材料的比例 ,增強涂布的均勻性等是防止鋰枝晶形成的關鍵。
此外 ,粘結劑的晶化 、銅枝晶的形成也會造成電池內部短路 。在涂布工藝中 ,通過涂布烘烤加熱將漿料中溶劑全部除去 ,若加熱溫度過高 ,則粘結劑也有可能發生晶化 ,會使活性物質剝落 ,使電池內部短路。
在過放條件下,當電池過放至1-2V時,作為負極集電體的銅箔將開始溶解,并于正極上析出,小于1V時正極表面則開始出現銅枝晶 ,使鋰離子電池內部短路。
