锂离子动力电池热安全性研究进展

万军

摘要：锂离子因为其优异性能在各方面得到广泛的应用，但是在使用过程中，锂离子电池的热稳定性、安全性以及生命周期受到多种因素的影响，本文对于锂离子的动力电池热模型以及电能测试进行研究，对于提升电池安全性能的方式进行探讨。

关键词：锂离子电池；热安全型；进展

1、前言

1995年索尼公司开发了用于电动车的锂离子蓄电池，当前的锂离子电池以其大功率密度和高充放电效率具有广泛的用途，当前的广泛应用于电动车的电池包括HEV高功率锂电池（容量为22Ah，8只串联成电池模块）与BEV高能行锂电池（容量为100Ah的圆柱形单体电池，8只串联成一个电池模块）。锂电池虽然得到了广泛的用途，但是因为其充放电过程中存在多种化学、物质传输以及电化学反应，而且充放电电流密度大，散热条件差，容易引发热稳定性安全问题。锂电池的安全使用温度为30-50℃，高温情况下锂离子的使用寿命会受到影响，使用温度每升高1℃，锂电池的使用寿命减低2个月，除了使用寿命受到影响之外，因为短路、高温等情况会引发锂电池的热安全性问题。除了索尼公司的锂电池之外，日本神户公司、法国萨弗特公司、德国瓦尔特公司都已经从事锂离子动力电池的研究，锂离子动力电池的热安全性是影响电池使用的重要因素，为了提升锂离子动力电池的大规模商业化发展，需要对其热安全性进行研究。本文从锂离子动力电池的电池材料、制造工艺以及电热管理等方面对电池热安全性的研究进展进行综述，期望为相关研究提供参考。

2、电池材料的热安全性研究

一般的锂离子电池的最大放电倍数率为2C，但是动力性锂离子电池要求达到8C以上，电池材料的稳定性对于锂离子动力电池安全性具有重要的影响。与一般的锂离子电池相比，动力性锂离子电池的大电流放电会导致放电容量下降，从而造成局部发热，引发电池中的化学反应以及分解反应，从而产生大量气体，导致电池内容部的压力升高，短时间剧集热量引发电池燃烧爆炸。发生于锂离子动力电池中的放热反应包括整机、负极、电解质的热分解反应以及有机电解液在正负极发生的氧化还原反应。为了了解电池内部材料的高温反应，通常采用热重分析法、示差扫描热量法、加速量热法等多种方法进行材料热安全性研究。

2.1 正极材料

正极材料与点解材料之间的高温反应是造成电池不安全性的主要因素，当前使用较为广泛的为层状LiCoO2、LiNiO2、尖晶石LiMn2O4、LiCoO2、橄榄石LiFePO4等材料，Roth等采用差示扫描热法研究这些材料的热稳定性，研究表明电解液与正极材料之间普遍存在放热反应，而且LiCoO2的容量较高，但是相应的循环性能较差，热稳定性较差；橄榄石LiFePO4的热稳定性适中，电化学性能优异。相比较而言，LiFePO4的来源丰富、价格较低，热稳定最佳，是制备锂离子动力电池的理想材料。为了提升锂电池动力电池热安全性能，应该在热反应温度、放热量的研究基础上，采用符合技术、涂层技术等技术，改进合成方法，提升材料的热稳定性。

2.2 负极材料

早期锂离子电池的的负极材料为金属锂，因为金属锂在多次充放电过程中容易产生锂枝晶，该晶体会造成电池短路，从而引发爆炸事故。为了提升锂离子动力电池的使用安全性，避免产生锂枝晶，当前通常采用嵌锂化合物作为锂离子电池的负极材料，常用的有锂离子嵌入碳化合物，将石油焦炭、碳纤维、石墨作为负极材料。锂离子嵌入碳化合物的负极材料具有较为稳定的物理化学性质，但是随着温度的升高，锂离子嵌入碳化合物的碳负极将首先与电解液发生放热反应，容易生成易燃气体，从而影响锂离子电池的安全性。对于碳负极材料的研究显示，锂离子在人造石墨中的放热速率较大，电池安全性较差；锂离子电池充电过程中，溶剂、锂盐阴离子以及杂质沉积在负极表面形成的钝化膜称之为SEI膜，SEI膜的质量对于锂离子动力电池的充放电性能与安全性具有直接的影响；负极材料中的粘结剂对电池温度升高时会与负极活性材料发生剧烈的放热反应，是影响锂离子动力电池的热安全性的关键因素，因此需要合理的选择粘结剂的种类以及含量。

2.3 有机电解液

锂离子动力电池的有机电解液包括溶剂、电解质锂盐以及添加剂，为了满足锂离子动力电池的安全性要求，要求有机电解质具有良好的热稳定性。当前的研究显示，电池过热、短路的情况下，有机溶剂分解以及锂盐分解产生的气体产物，会引发燃烧甚至爆炸，因此有机电解质的闪點必须高于单独存在的纯溶剂；电解质锂盐的研究中，LiFAP体系具有更高的热分解初始温度，能够提升SEI膜的稳定性；改善锂离子动力电池的安全性的添加剂包括过充添加剂与氧化还原对添加剂，常用防过充添加剂主要为芳香族化合物，在电池充电超过一定电压时，能够发生繁体聚合，从而增大电阻限制充电电流，比较常见的有二茂铁及其衍生物、单环或或多环芳香族化合物，阻燃添加剂主要包括有利磷化物、有利氟化物等物质，通过使有机电解液变成难燃的物质，从而增加电解液的热稳定性。

3、锂离子动力电池安全性测试研究

为了确保锂离子动力电池的安全性，需要对于锂离子电池进行安全性测试，常见的安全性测试包括：（1）过充测试，锂离子动力电池使用过程中，充放电电流大、不宜散热容易引发安全问题，因此耐过充能力是影响电池稳定性的重要因素，过充测试的研究显示，电池的过充安全性主要去决定于正极的量；短路测试，电池接小型电阻能够解决外部短路引发的安全性问题，针刺试验显示，内部短路测试对于电池安全性尤为重要，因此需要对充电电压严格限制，避免过充。

4、结语

锂离子动力电池的热安全性对于电池的商业化应用具有重要的影响，为了提升电池的热安全性以及热稳定性，应该选择合适的正负极材料、电解质、粘结剂以及添加剂，并且采用合适的电机制造、电池装配工艺，从而改善电池安全性能，提升锂离子电池的使用价值。

参考文献

[1]吴凯，张耀，曾毓群，等.锂离子电池安全性能研究[J].化学进展.2011.23（2/3）：40l-409.

[2]刘伶，张乃庆，孙克宁，等.锂离子电池安全性能影响因素分析[J].稀有金属材料与工程，2010，39（5）：936-940.