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鋰電池?zé)崾Э氐膯栴}如何解決?

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1294次  |  2019年12月13日  

無法根治的鋰電安全性能?


鋰電池的安全性歸根到底一句話,就是來自于電池的熱失控。鋰電池除了正常的充放電反應(yīng)外,還存在潛在的副反應(yīng)。當(dāng)電池溫度過高或者充電電壓過高的時(shí)候,這些副反應(yīng)就會(huì)被引發(fā),并釋放大量熱量。如果熱量得不到及時(shí)疏散,還會(huì)引起電池溫度和壓力的急劇上升,形成惡性循環(huán),最后導(dǎo)致熱失控,造成安全事故。


不幸的是,從鋰電反應(yīng)機(jī)理而言,單體電池的熱失控隱患是無法根除的,只能通過諸如熱控制技術(shù)(PTC電極)、正負(fù)極表面陶瓷涂層、過充保護(hù)添加劑、電壓敏感隔膜以及阻燃性電解液等等技術(shù)的綜合性應(yīng)用來無限改善單體電芯的安全性能,但無法真正根除。


關(guān)于電芯層面的鋰電安全性,武漢大學(xué)教授艾新平做了非常全面的分析,從熱失控過程來看,發(fā)生熱失控最早的一個(gè)反應(yīng)是負(fù)極表面SEI膜的分解,由于負(fù)極成份及添加劑的不同,SEI膜的分解分度大概在120-140℃,發(fā)生分解以后,負(fù)極裸露在電解液中,并發(fā)生劇烈的還原分解,放出大量的可燃性氣體和熱量,促使電池的溫度進(jìn)一步上升,直至正極發(fā)生分解。


正極發(fā)生分解時(shí),溫度大概在180-200℃,此時(shí)電芯的副反應(yīng)就很難控制了,因?yàn)檎龢O分解時(shí)不僅僅釋放大量的熱量,還會(huì)產(chǎn)生活性極高的氧原子,導(dǎo)致電解液直接氧化分解,短時(shí)間內(nèi)會(huì)造成電池內(nèi)部大量的熱量積累。


如何提升單體電芯的安全性能?


盡管鋰電安全無法根治,但卻是可控可防的,正確面對并積極探索一些新的安全性技術(shù),將有利于促進(jìn)電池技術(shù)進(jìn)步,比如提高材料/界面熱穩(wěn)定性,開發(fā)單體自激發(fā)熱保護(hù)技術(shù),以及系統(tǒng)熱擴(kuò)展防范技術(shù),就可以有效改善電池系統(tǒng)的安全性。以下為艾新平教授在電芯安全層面的研究,可供讀者參考。


表面包覆。正極的熱分解和它引起的析氧主要在于它和界面(電解液)的反應(yīng),于是我們可以在正極活性表面包覆熱穩(wěn)定的保護(hù)層。比如在高鎳的正極表面包覆磷酸膜或者磷酸鋰以后,可以減少高鎳材料與電解液的直接接觸,從而降低副反應(yīng)的強(qiáng)度和產(chǎn)熱。常見的包覆材料包括磷酸鹽、氧化物、氟化物,也可以是一些聚合物。


構(gòu)建濃度梯度。高鎳正極的不安全,除了本身的熱穩(wěn)定性不好以外,更重要的是鎳對電解液的氧化分解作用非常強(qiáng),而材料本身的放熱量并不是那么大,但是加上電解液以后,它的產(chǎn)熱溫度和產(chǎn)熱量是急劇提高的,原因就是電解液的界面反應(yīng)占了很大的部分。如果我們將高鎳作為核,用一些低鎳含量的材料作為殼,讓它內(nèi)外有一個(gè)濃度梯度,這樣就有助于降低這個(gè)材料界面的反應(yīng)活性,提高電池安全性。


防止熱失控的誘發(fā)和蔓延才是工作重點(diǎn)


盡管艾新平教授介紹了多種提高單體電芯安全性的思路,但正如前文所提到的,我們始終無法從工藝上保證清除所有的安全隱患。與其在電芯的工藝層面做過多糾結(jié),不如將工作重點(diǎn)放在系統(tǒng)層面,即防止單體發(fā)生熱失控以后產(chǎn)生系統(tǒng)的功能障礙,甚至是災(zāi)難性事故。


中國電動(dòng)汽車百人會(huì)執(zhí)行副理事長歐陽明高也表示,當(dāng)前鋰離子電池從單體層面完全杜絕熱失控是不太現(xiàn)實(shí)的,但我們可以從電池系統(tǒng)的熱機(jī)電設(shè)計(jì)與控制設(shè)計(jì)來防止誘發(fā)和蔓延,即便單體出現(xiàn)熱失控也不會(huì)發(fā)生事故


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