基于单体锂离子的电池安全技术在新能源汽车中的应用

段 利

（安徽安环康检测科技有限公司，安徽芜湖 241003）

随着新能源汽车行业的快速发展，电动车也成为新能源汽车的重要主体，电池则属于非常重要的动力来源，且以锂离子电池为主。锂离子电池具有较长的使用年限，且能量相对较高，自放频率相对较低等，所以，锂离子电池也成了新能源汽车非常重要的选择。锂离子电池的广泛应用，也面临着相应的安全性能问题，电池安全技术的科学应用，是新能源汽车应用锂离子电池需要重点关注与研究的焦点，对新能源汽车产业的发展具有重要的影响和作用。

1 新能源汽车的锂离子电池应用状况

1.1 发展前景好，技术需完善

同其他新能源进行对比，锂离子电池已历经了几十年的研究发展与实际应用，电池性能与质量等方面均体现出相应的优势特点。大部分研究人员均希望通过对锂离子电池应用技术的优化与完善，切实推动电池技术以及新能源汽车产业的良好发展。不过，针对锂离子电池的科学研发，面临着相应的困难，如锂离子电池生产所需的少数关键原材料，依然需要以国外进口方式为主，少数生产工艺以及设备同样需以国外引进方式为主，这也在极大程度上对锂离子电池科学研发以及生产制造产生严重的制约。鉴于此，锂离子电池尽管具有较为可观的发展前景，不过具体应用期间，依然需研究人员开展更加深入的科学研究，对锂离子电池应用技术进行不断的优化完善，为在新能源汽车中的应用提供可靠保障[1]。

1.2 比能量不足，充当辅动力

比能量，即对电池释放能力进行解释说明的基本概念。锂离子电池比能量相对越高，可以为新能源汽车提供充足的动力保障。通过对锂离子电池应用进行科学分析，能够得知锂离子电池比能量依然存有不足的地方，从而致使新能源汽车续航里程无法达到更高的级别。因此，对于锂离子电池存在的比能量不足问题，现阶段，也开发研制出混合动力汽车，应用锂离子电池充当辅助动力，节约燃油量。同时，有关人员应重视对锂离子电池比能量进行深入科学研究，以此实现对此方面的有效突破，为锂离子电池的广泛应用奠定重要 基础。

1.3 使用范围广，电池种类多

锂离子电池尽管存在相应的不足和问题，但现阶段依然具有非常广泛的应用范围，大部分国家也重视对锂离子电池的深入科学研究，并大范围进行规模化使用。通过对锂离子电池制作材料进行科学研究，能够得知，当前，全球范围内有关锂离子电池应用，基于材料层面可划分成锰酸锂、钴酸锂、钛酸锂、磷酸铁锂、三元材料等类型。其中，钴酸锂适用于小容量电池需求，其他类型则可适用于大容量需求，并在新能源汽车中有着重要应用[2]。

2 锂离子电池安全技术的应用

2.1 选用较高安全系数原材料

选用安全系数相对高的正负极或活性材料与隔膜材料以及电解液。

2.1.1 正极材料选择

正极材料安全性涵盖如下方面：①热力学稳定性；②化学稳定性；③物理性能。现阶段，正极材料使用较多的 则 是LiMn2O4、LiCoO2、LiFePO4、LiNiO2等。 通 常 而言，此类正极材料所具有的热稳定性关系顺序为LiNiO2＜ LiCoO2＜LiMn2O4＜LiFePO4。同时，粒径相对较大的LiCoO2所具有的热稳定性，明显优于粒径相对较小的情况[3]。

2.1.2 隔膜材料选择

隔膜所具有的关键作用在于，对电池正负极进行有效隔开，避免正负极发生接触产生短路情况。同时，有利于电解质离子的顺利通过，即具备电子绝缘性以及离子导通性。锂离子电池对隔膜的选用，需关注如下方面：第一，具备电子绝缘性特点，可以实现对正负极进行机械隔离；第二，具备相应的孔径以及孔隙率，且具备相对较低的电阻以及相对较高的离子电导率，对锂离子具有良好的透过性。同时，孔隙不宜过大，以防产生微短路现象，孔径通常介于0.01～0.1μm；第三，隔膜材料需具备良好的化学稳定性，需耐电解液腐蚀；第四，隔膜需具备自动关断保护功能，高温条件情况，应当具备良好的绝缘性，电池受意外事故影响出现明显升温，隔膜空隙受热出现融化闭合，对锂离子流动形成有效组织，对电流进行快速切断，避免出现爆炸等危险事故，基于IEEE 1725推荐，隔离膜应当可以处于150℃以下，保持不低于10min 的绝缘性；第五，隔热收缩率与变形性应当保证足够小；第六，隔膜应保证相应的厚度，通常情况下，锂离子电池选用的隔膜，厚度应不超过25μm，动力电池则需适当增加厚度，不超过40μm；第七，隔膜应具备良好的物理强度以及抗刺穿能力，以防被部分颗粒刺穿薄膜，导致局部发生短路。垂直极片方向，可承受标准工作操作不出现破坏。

2.1.3 电解液选择

电解液属于锂离子电池非常关键的构成，在电池正负极间起到传输与传导电流的重要作用。锂离子电池选用的电解液，使锂盐溶解于有机质非质子混合溶剂，以此形成电解质溶液。通常情况下，需满足如下标准：第一，具有良好的化学稳定性，同电极活性物质与隔膜以及集流体等无法发生化学反应；第二，具有良好的电化学稳定性，且电化学窗口相对较宽；第三，锂离子电导率相对较高，电子电导率则相对较低；第四，液态温度范围足够宽；第五，安全且无毒，不会对环境造成污染影响，对环境友好[4]。

2.2 重视电芯整体安全性设计

电芯是对电池各类物质进行有效组合的重要纽带，使正负极与隔膜等系统集成。电芯结构设计，不仅仅对各类材料性能发挥产生重要影响，同样对电池电化学性能与安全性能具有关键性影响。材料选择与电芯结构设计之间具有局部和整体的密切关系，关于电芯设计方面，需要基于材料所具有的特性，执行科学系统的机构模式。除此之外，锂离子电池结构方面，还需对部分额外保护装置予以重点考虑，常见保护结构设计包括：第一，设置开关元件，电池内温度明显升高时，阻值随之增加，温度过高情况下，则自动停止供电；第二，设置安全阀，电池内部压力升高至相应数值，安全阀自动打开，确保电池安全性。关于电芯结构安全设计，具体实例如下。

2.2.1 正负极容量比和设计大小片

基于正负极材料所具有的特性，选择适宜的正负极容量比，电芯正负极容量配比对锂离子电池安全性有着重要影响，正极容量过大则会导致金属锂位于负极表面位置产生沉积，且负极过大电池容量会产生较大损失。通常来讲，N/P= 10.5～1.15，基于具体电池容量以及安全性标准，并做出合理选择。设计大小片，确保负极活性物质位置包住正极活性物质位置，通常宽度应多出1～5mm，长度应多出5～10mm[5]。

2.2.2 隔膜宽度留有余量

对于隔膜宽度设计，所需遵循的总体标准原则，即避免正负极片发生直接接触，从而产生内部短路情况，因为电池充放电期间与热冲击等环境下，隔膜热收缩性致使隔膜的长度与宽度出现相应的变形，隔膜褶皱区域因为正负极间距的增加，导致极化增加；隔膜拉伸区域因为隔膜变薄，致使微短路明显增加；隔膜边沿区域收缩，极易造成正负极产生直接接触，从而引发内部短路现象，此类问题均会导致电池由于热失控，对安全性产生严重影响。所以，电池设计阶段，隔膜面积与宽度使用方面，务必对收缩特性予以充分考虑，隔离膜应当超过阴阳极。不考虑工艺误差的情况下，隔离膜应当较极片外边长最少多出0.1mm。

2.2.3 绝缘处理

内短路是对锂离子电池安全性产生严重危害影响的因素之一，电芯结构设计方面，存在较多引起内短路的潜在危险部位。所以，务必在关键位置设置相应的绝缘等，避免异常情况下出现电池内短路现象。例如，正负极耳间应预留相应的间距；收尾单面中间五膏体位置，应当贴绝缘胶带，对裸露部分采取全包裹；正极铝箔与负极活性物质间，应当贴绝缘胶带；使用绝缘胶带对极耳焊接位置采取全包裹；电芯顶部位置使用绝缘胶带等。

2.2.4 设置安全阀

锂离子电池产生危险问题，主要是由于内部温度过高或是压力过大，从而产生爆炸等危险；设置相应的泄压装置，可以在发生危险情况下，对电池内部压力与热量进行快速有效释放，避免爆炸等危险事故。对于设置泄压装置，应当满足正常情况下内压，且内压处于危险极限的情况下，可自动打开从而释放压力。泄压装置设置的位置，应当对电池外壳由于内压升高导致的变形加以重点考虑，以此做出合理的设计；针对安全阀设计，可选用薄片、刻痕与边缘以及接缝等，并利用UL1642等喷射测试进行检测实验[6]。

2.3 提高工艺水平

切实加强电芯生产的科学化、规范化以及标准化。对于混料、涂布、压实与卷绕等环节，制定切实可行的标准，如隔膜宽度以及电解液注液量等；对工艺手段进行优化改良，如低气压注液法或是离心装壳法等。同时，加强工艺控制，为工艺质量提供可靠保障，降低产品之间所具有的差异。对安全性产生的影响，设置特殊步骤，如去极片毛刺或是扫粉，对各不相同材料运用相对应的焊接方法等，采取标准化严格质量控制，对缺陷部位进行有效消除，对存在缺陷采取有效排除。除此之外，确保生产区域干净、清洁、无污染，采取5S 管理以及6-sigma 质量控制，有效避免生产期间掺杂水分或是杂质，使锂离子电池安全性可以得到可靠的保障[7]。

3 结语

综上所述，随着新能源汽车产业的快速发展及锂离子电池的广泛应用，对锂离子电池的安全性问题也成为重点关注的方面。尽管安全措施的有效应用，使危险隐患事故的出现得到明显降低，不过，依然无法根本杜绝。同时，随着锂离子电池的不断应用与深入研究，比能量随着提高，会产生危险事故，因为比能量的提高，势必会造成严重的危害影响。所以，为确保人们生命财产安全，还需对锂离子电池安全技术加以深入研究，为锂离子电池安全性提供可靠保障，从而推动新能源汽车产业的良好发展。