动力锂离子电池安全性研究进展

王磊

[摘    要]現阶段，社会生产生活与能源使用具有重要联系，能源有效供给对经济进步意义重大。锂离子电池由于自身优越的性能在社会生产的各个方面实现了有效应用，相比于其他能源供应，使用锂离子电池，具有较好的热稳定性，对电动汽车的安全性以及生命使用周期具有重要影响。锂离子电池在使用过程中发生放热反应，会造成其内部热能聚集，在热反应失控后造成电池的燃烧或者爆炸。对动力锂离子电池安全性研究进行分析，结合使用过程中极易出现的问题，提出相应安全性改善方法。

[关键词]动力;锂离子;电池;安全性;研究

[中图分类号]TM912 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）04–00–02

Research Progress on the Safety of Power Lithium-ion Batteries

Wang Lei

[Abstract]At this stage， social production and life have an important connection with energy use. Effective energy supply is of great significance to economic progress. Lithium-ion batteries have achieved effective applications in all aspects of social production due to their superior performance. Compared with other energy supplies， The use of lithium-ion batteries has good thermal stability and has an important impact on the safety and life cycle of electric vehicles. The exothermic reaction of the lithium ion battery during use will cause the internal heat energy to accumulate， which will cause the battery to burn or explode after the thermal reaction is out of control. Analyze the safety research of power lithium-ion batteries， and put forward corresponding safety improvement methods in combination with the problems that are very likely to occur during use.

[Keywords]power; lithium ion; battery; safety; research

目前，经济不断进步，汽车行业发展迅速，这一过程中人们环保意识也在不断提高，对提高城市空气质量具有积极作用。随着私家车数量增加，降低汽车尾气排放是现阶段亟需解决的问题。与此同时，不可再生能源的大量使用，原油价格上涨，传统汽车使用成本增加，结合汽车目前增长速度分析，能源匮乏情况对我国经济发展具有重要制约作用。从环保以及经济可持续发展角度分析，使用清洁无污染的交通工具是交通领域实现环保经济的重要发展趋势。相比于燃油汽车，电动汽车可以满足交通以及人们健康生活方式需求。解决电动汽车的电源问题，会扩大汽车的产业化经营规模。

1 电动汽车发展电源问题解决难点与关键点分析

1.1 电池管理系统解决

电池使用中，需要解决单体高效率长寿命均衡化系统管理。锂离子电池实现均衡性放电是电池实际管理的重要问题，在串联过程中，充电会具有单体电压较高情况，相比于组内其他的电池使用，其已经进入到过充电情况，也就是说充电电压超过了限制电压。在这一时刻，出现在恒流阶段中，在电流强度影响下，电压、温升以及内压会持续增加。处于恒压阶段，电流强度较小时，其过充电症状并不显著，相比于恒流阶段会较小。在过充电过程中电池容量锐减，电池会失效。放电过程中，在后期阶段，电压会逐渐接近马尾曲线，这一过程中单体容量的分布状态是正态，并且电压分布方式具有复杂性，其中容量较小的单体电压会逐渐跌落，这一阶段其他电池电压并不显著。现阶段使用的均衡方式主要是充电单向平衡以及充放电过程的双向平衡，使用的能量消耗方式并不能满足大功率单体均衡需求，因此需要使用能量回馈方式的新型化均衡电路，如图1所示。

1.2 安全问题

在动力锂离子电池使用中，阻碍其大规模使用的重要因素是锂离子电池安全性，其中化学性以及可燃物质影响，锂离子电池过充以及过放电情况或者是温度上升都会造成燃爆问题出现。基于这一情况，应实时监测温度，以及出现异常上升情况原因，准确判断温度的变化趋势，保证电池组使用的安全性。

1.3 电池残存容量预估

锂离子动力电池对使用的充电器要求较高，因此电路的保护是十分重要的，其充电方式主要是恒流恒压，因此控制精度需要予以保证。在大多数时间内需要电池提供剩余电量，供电时间信号也需要预估，保证控制器可以全面掌握电池状态，以此制定相应的控制策略，保证系统运行的稳定性。在电池使用过程中，剩余电量会受到多种因素影响，这一过程中电池的放电电流、温度等均与参数数据具有重要联系，也会表现出较大的非线形特性。

2 动力锂离子电池安全性材料影响分析

2.1 正极材料影响

在锂离子电池组成中，正极材料在充电状态较高情况下会存在不稳定性，期间会逐渐分解并且释放相应的氧气，这一过程中会与有机电解液燃烧之后释放出反应热，正极材料中的活性物质会与电解液直接反应，这一因素也是锂离子电池发生起火爆炸的重要原因。

在正极材料处理中主要使用的措施是核壳结构以及表面包覆、掺杂方式，提高电池使用安全性。相关研究人员使用差示扫描量热法对正极材料中的粒径以及包覆等因素进行测试，分析其中的热稳定性。在经过相应研究之后，认为使用大颗粒物质可以降低正极材料与电解液反应的热量。使用合理化的包覆量可以降低正极材料反应的热量，反应起始温度也可以有效提高。针对材料的掺杂，相关研究人员使用加速量热仪研究正极材料在50 ～250 ℃中的热行为，在实现掺杂之后，热反应开始温度由140 ℃逐渐提升到150 ℃，这一因素对电池安全具有决定性因素，其中产生的放热反应热量会低于没有掺杂的材料。没有掺杂的材料反应绝热温升数值在61 ℃，反观掺杂材料只有41 ℃，对正极材料的稳定性具有积极作用。

2.2 负极材料影响

使用负极材料的主要安全性影响是在充放电过程中锂枝晶产生以及出现的热分解副反应。将商用石墨作为例子，在实际使用中，商用石墨负极在首次充放电过程中，石墨负极材料与电解液共同工作时会发生反应，出现绝缘保护膜，形成包覆作用，在负极材料表面位置。这一保护膜的使用会起到相应的保护作用，防止负极材料与电解液接触过程中出现更加严重的副反应。在温度从80℃上升到120 ℃时，保护膜会出现分解现象，伴随分解程度逐渐加剧，石墨负极材料的保护作用也会丧失，这时内部的锂就会与电解液接触，出现放热反应。对负极材料使用的安全性，研究人员开展了相应的深入研究，解决了负极材料中出现锂枝晶问题，在电解液中调整优化，添加成膜添加剂，以提升保护膜的稳定性。

2.3 电解液

现阶段使用最多的就是电解液，但其在使用中热稳定性以及化学稳定性并不好，对动力电池安全性以及循环性能提升具有阻碍作用，针对这类物质应用研究，可以研发相应的功能添加剂，或者是新型电解质锂盐，对有机电解液稳定性提升具有积极作用。在锂离子电池应用中，在液体电解质中使用的阻燃剂主要是有机磷化合物以及相应卤化衍生物。研究人员认为使用磷酸二苯-辛酯可以降低电解液中的可燃性。使用有机电解液过程中增加硅烷以及硼酸酯等相应阻燃物质，同样可以改善电池使用的安全性。添加剂的使用选择过充保护添加剂，其中主要划分为氧化还原添加剂以及电聚合添加剂，前一种物质会从过充可逆性保护电池，后者物质会终止电池工作，相关氧化还原物质针对添加剂高充电电压使用过程中，初始阶段为正极上氧化，氧化产物会不断扩散，直至负极被还原，还原产物不断扩散，直至正极氧化后，这一过程会呈现不断循环状态，直到充电结束。电聚合添加剂会在电池充电到一定电势时，阴极表面会生成相应的导电聚合物，以此造成电池内部出现微短路，这一过程电池会放电，直到其呈现安全状态。

电解液稳定性措施还有一种是转变溶剂或者是锂盐的类型。现阶段使用较为有效的是双草酸硼酸锂电解质。这一物质在使用中，存在吸热过程，伴随温度不断增加，放热过程较为显著，电解质的初始放热温度始终高于200 ℃，并且这一过程中的放热量数值也会较低。

2.4 隔膜材料安全性影响分析

动力锂离子出现热失控现象，在不断变化过程中，隔膜会经历闭孔以及熔断两个阶段。伴随温度不断上升，隔膜会出现闭孔，并且温度不断上升，温度会产生熔断，其中分隔正极以及负极的功能也会丧失，其中正负极出现接触情况，内部短路。使用不同隔膜闭孔以及熔断特性存在差异性，相关研究人员发现，隔膜出现熔化，其温度为130 ～140 ℃，并且聚乙烯隔膜温度为160 ～170 ℃。分析隔膜设计因素，在这一角度提升电池使用安全性，首先需要设计性能较为优越的隔膜，热诱导性能突出，存在阻断特性;使用复合性隔膜，具有高热稳定性;重视隔膜设计的阻燃性;使用三层结构隔膜，中间层材料为保护层，在电池内部逐渐升温，其温度接近临界点后，其中多孔中间层会出现部分熔化情况，封闭膜孔，防止电解液出现迁移问题。其中上下两层会存在相应的机械支持，防止电池内部出现短路情况。同时可以使用热响应保護层，将其作为电池负极或者是隔膜层，凸显其中的诱导阻断特性。在电池的内部温度达到临界值时，负极隔膜会出现阻断屏障，电池会停止工作，继续产热现象也会停止。使用复合性隔膜熔点相对来说较高，并且机械强度高，具有较高的热导率。电池正常工作时，处于工作温度范围内，使用聚合物外壳可以避免阻燃剂出现溶解情况，防止其进入到电解液中。热失控出现时，温度不断升高，聚合物中的保护层会不断熔化，隔膜这一过程中也会不断释放出阻燃剂，对易燃电解液燃烧情况具有抑制作用，防止电池燃烧。

3 结束语

电动汽车的应用需要锂离子动力电池支持，但电池使用过程中由于温度升高造成的安全性问题一直是这一领域的研究重点，对电动汽车的应用扩大产生了制约作用。使用合理的正极与负极材料，重视电解质与电解液使用，利用包覆作用或者是增加阻燃剂等方式，提高电池使用的热稳定性。在电池电极制造以及装配过程使用的工艺都会对电池使用安全性造成影响，使用针对性解决措施改善电池安全，避免隐患发生。

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