岳仁興 劉嶸一 張建中 石兆靜 袁玉強

摘要：鋰離子電池是重要的能源動力來源，在新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。因多種因素的影響造成鋰離子電池內(nèi)部出現(xiàn)升溫不可控的情況，從而給鋰離子電池的安全使用帶來威脅和危害。本文圍繞鋰離子電池?zé)崾Э胤揽丶夹g(shù)進行了探討，通過對電池?zé)崾Э剡^程分析，并論述了防控鋰離子電池?zé)崾Э氐募夹g(shù)，旨在提高鋰離子電池?zé)崾Э胤揽丶夹g(shù)水平，提升電池使用安全性能。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池、安全、熱失控防控技術(shù)

中圖分類號：TM912

1.引言

鋰離子電池的熱失控指的是因一系列因素而造成的升溫不可控現(xiàn)象，外在表現(xiàn)為著火、燃燒、爆炸等單一反應(yīng)或連鎖性反應(yīng)。熱失控是鋰離子電池的重要風(fēng)險，因此對鋰離子電池?zé)崾Э胤揽丶夹g(shù)進行分析研究十分必要。

2.鋰離子電池?zé)崾Э馗攀?/p>

單體鋰離子電池放熱反應(yīng)過程中會引起電池內(nèi)部溫度升高，因溫度升高無法被控制而產(chǎn)生的電池過熱、著火、燃燒、爆炸等現(xiàn)象都屬于鋰離子電池?zé)崾Э氐奈：π员憩F(xiàn)。鋰離子電池內(nèi)部存在一系列潛在的放熱副反應(yīng)，如果電池發(fā)生短路現(xiàn)象或者出現(xiàn)過充現(xiàn)象，則很容易引發(fā)電池內(nèi)部溫度升高，潛在的放熱副反應(yīng)被相繼引發(fā)，如果反應(yīng)釋放的熱量沒有及時散發(fā)，則電池內(nèi)部溫度快速升高，使電池進入到熱失控狀態(tài)，引發(fā)電池安全事故。由此可見，鋰離子電池?zé)崾Э厥且环N內(nèi)部問題，要想從根本上解決電池?zé)崾Э氐膯栴}，就要對電池?zé)崾Э氐倪^程進行分析。

3.鋰離子電池?zé)崾Э剡^程分析

引發(fā)鋰離子電池?zé)崾Э氐囊蛩刂饕▋纱箢?，一類是?nèi)部因素，包括極片發(fā)生褶皺、氮磷配比不合理、金屬雜質(zhì)過多、隔膜發(fā)生缺陷或破損、水分含量過高、鋰元素析出等;另一類是外部因素，包括短路、擠壓、過充等。無論是內(nèi)部因素還是外部因素引發(fā)的熱失控狀況，熱失控過程都會經(jīng)歷三個階段，啟動階段、加速階段、失控階段。因此，如果在鋰離子電池沒達到失控階段的時候采取合理的防控措施，是能夠避免電池?zé)崾Э貝夯腫1]。

對鋰離子電池?zé)崾Э剡^程進行分析，可通過對電解液和電極的反應(yīng)機理進行測試，通過分析電解液在加熱條件下的熱效應(yīng)以及電池負極的分解情況，從而找到鋰離子電池出現(xiàn)熱失控的溫度臨界點或溫度區(qū)間。如溫度在110～150℃，主要反應(yīng)是LixC6電解，鈍化膜破裂;溫度在130～220℃，主要反應(yīng)是LiPF6電解質(zhì)溶解;溫度在160～190℃，主要反應(yīng)是P.P.隔膜熔化，反應(yīng)為吸熱反應(yīng);溫度在150～300℃，主要反應(yīng)是Li0.1Mn2O4分解反應(yīng);溫度在240～350℃，主要反應(yīng)是LixC6和PVDF粘結(jié)劑分離，伴隨電池爆炸。鋰離子電池的并聯(lián)或者串聯(lián)方式不同，會對電池內(nèi)部熱量的集聚情況和內(nèi)部壓力造成影響，使鋰離子電池?zé)崾Э剡^程更加復(fù)雜。

4.防控鋰離子電池?zé)崾Э氐年P(guān)鍵技術(shù)

使用隔熱板等材料進行熱阻隔。熱失控電池與暫時安全的電池之間很容易發(fā)生連鎖性反應(yīng)，因此通過隔熱材料對熱失控電池和安全電池之間進行隔離，阻斷熱量傳遞和高溫輻射傳播，使熱失控危害性降到最低。例如對圓柱體電池模組中電池之間的間隔距離進行調(diào)整可以控制熱量傳遞和輻射風(fēng)險，有效組織熱失控蔓延。在采用隔熱材料進行熱阻隔時，還可能對熱失控電池的散熱效果造成不利影響，這是目前該防控技術(shù)研究的重點。研究人員嘗試用不完全封閉的隔熱層來尋找一個較好的效果，既能夠阻斷熱失控電池向周圍安全電池的熱傳導(dǎo)，同時也能夠使熱失控電池具備一定的空氣對流性，防止局部溫度過高。目前，在隔熱板的厚度研究上主要采用了模擬仿真的方式，尋找阻隔材料最優(yōu)厚度。在隔熱板材料的研究上，換熱面積越大的情況下，散熱效果越好。采用泡沫基材料的風(fēng)冷系統(tǒng)可提高換熱面積，增加散熱面積。

使用液體材料進行熱阻隔。如聚丙烯酸鈉是一種柔性水凝膠，這種水凝膠具有很強的可塑性，在電池中間可以以任何形狀存在。由于水凝膠中高含量的水具有很高的比熱容和阻抗性能，因此具有很好的隔熱效果。

在電池隔膜上或電極表面涂覆聚合物材料，使鋰離子電池具有熱關(guān)閉功能。由于電池隔膜或電極表面具有聚合物層，聚合物層是多孔結(jié)構(gòu)，因此在常溫下，離子可以自由通過隔膜。當(dāng)電池出現(xiàn)短路情況或出現(xiàn)過充情況時，電池溫度升高，在高溫條件下，涂覆的聚合物一旦達到熔化溫度就會發(fā)生熔化，從而使聚合物層不再是多孔結(jié)構(gòu)，變成致密性結(jié)構(gòu)，從而切斷電池電極之間的離子傳輸，使電池反應(yīng)切斷。武漢大學(xué)研究人員研究的乙烯-乙酸乙烯聚合物層表現(xiàn)出較好的試驗效果。在常溫下該聚合物層不會對電池性能造成不利影響，一旦電池溫度高于90℃時，聚合物層熔化形成致密隔膜。

在電池中添加特殊試劑阻斷離子傳輸。如采用具有熱聚合性質(zhì)的物質(zhì)作為電極材料表面涂層，或者在電池電解液中加入具有熱聚合性質(zhì)的單體，通過這些添加試劑來引發(fā)聚合反應(yīng)，阻斷電池離子傳輸。在正常溫度下，添加劑不會影響離子的傳輸，當(dāng)溫度升高到聚合反應(yīng)溫度值時，電解液發(fā)生固化或者形成致密的聚合物膜，阻斷鋰離子傳輸，實現(xiàn)電池?zé)崾Э胤揽啬康?。如在鋰離子電池電解液中加入偶氮二異丁腈和雙馬來酰亞胺，改善電解液對溫度的敏感性。當(dāng)溫度升高到116℃時，電解液中的聚合物發(fā)生聚合反應(yīng)使電解液發(fā)生固化，電池離子反應(yīng)被關(guān)閉，切斷熱失控進程。由于添加劑可能會對電池電極循環(huán)穩(wěn)定性帶來不穩(wěn)定影響，因此限制了該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用[2]。

5.結(jié)語

對于鋰離子電池來說，安全性是電池大規(guī)模應(yīng)用的重要技術(shù)問題。熱失控是鋰離子電池發(fā)生安全事故的重要原因。因此必須對鋰離子電池?zé)崾Э胤揽丶夹g(shù)進行研究，可從外部和內(nèi)部兩個路徑來阻隔熱失控進程。一方面通過在鋰離子電池內(nèi)部建立起保護機制，使電池內(nèi)部的離子或電子傳輸危險源被切斷，關(guān)閉電池反應(yīng);另一方面可通過采用外部隔熱層來對熱失控電池散熱進行阻隔，對周圍安全電池起到較好安全防控效果。

參考文獻

[1]郭亞洲.田相軍.凌澤.鋰離子電池失控機理研究現(xiàn)狀[J].電源技術(shù)，2020，44（03）：461

[2]李惠.吉維肖.曹余良.詹輝.楊漢西.艾新平.鋰離子電池?zé)崾Э胤婪都夹g(shù)[J].儲能科學(xué)與技術(shù)，2018，7（3）：376

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