电池正极材料影响电池安全的因素.doc

三元正极材料影响电池一致性及安全问题的因素探讨 宁波金和新材料股份有限公司 蔡国强 摘要：安全问题已成为制约锂离子电池向大型化、高能化方向发展的主要障碍。本文概述了锂离子电池安全性问题的几个方面，从电池自身系统的影响及正极材料对电池的影响两个角度，来分析锂离子电池的安全问题的原因，并对三元正极材料影响安全的问题提出了相应的解决途径，通过提高电池材料热稳定性来抑制热失控的发生，来提高电池的安全系数，尽量避免电池的燃烧和爆炸。 　　关键词：热稳定性；三元正极材料；锂离子电池；安全 Abstract: Safety problems have become the main hindrance for a large-sized high-energy battery. This article summarizes several aspects on lithium-ion batteries’ safety problems, and from the two aspects of battery-system and cathode-material effects, analyzes the causes of lithium-ion batteries’ safety problems. Meanwhile, this article brings forward relative solutions to the LiNixCoyMn(1-x-y)O2 negative influence on safety, by optimizing battery materials’ thermal stability to restrain battery’s thermal runaway, improve safety factor and avoid combustion and explosion. Key words: Thermal stability, LiNixCoyMn(1-x-y)O2, Lithium ion battery, Safety 　1 前言 锂离子电池由于具有能量密度高、输出电压高、循环寿命长、环境污染小等优点，在小型数码电子产品中获得了广泛应用，在电动汽车、航空航天等领域也具有广阔的应用前景。然而，近年来用于手机、数码相机和笔记本电脑中的锂离子电池爆炸伤人事件已经屡见不鲜，锂离子电池的安全问题引起人们广泛的关注。目前报道的锂离子电池安全问题集中发生在用于数码产品上的小型锂离子电池，与手机电池相比，笔记本电脑电池由于容量更高，出现问题的几率也相对较高；而用于交通工具上大型的动力电池或电池组，其安全问题更为突出，目前安全问题已成为制约锂离子电池向大型化、高能化方向发展的瓶颈。新能源汽车除了价格高昂是制约市场购买力的重要因素之外，电池的安全实际上也是制造者和使用者都普遍当心的重要问题。 　2 锂离子电池安全问题原因分析 　　2.1 电池系统的安全问题 　　 锂离子电池作为一个系统，其安全问题主要源于不合理使用情况下热失控的发生。电池系统的热失控即为系统产生的热量大于释放的热量而导致热量积累，温度迅速升高的过程[1]。锂离子电池发生热失控，主要是由电极和电解液间的化学反应引起。电解液通常使用的溶剂为有机碳酸酯类化合物，它们具有高活性，极易燃烧。处于充电态的电池正极材料为强氧化性化合物，同时处于充电态的负极材料为强还原性化合物。在不合理的使用情况下，如过充、过热和短路等，强氧化性正极材料稳定性通常较差，易释放出氧气，而碳酸酯极易与氧气反应，放出大量的热和气体；产生的热量会进一步加速正极的分解，产生更多的氧气，促进更多放热反应的进行；同时强还原性负极的活泼性接近金属锂，与氧接触会立即燃烧并引燃电解液、隔膜等[2]。锂离子电池在滥用情况下出现的内部温度升高导致大量放热反应发生，放出的热量来不及散逸，在电池中积累并进一步加剧电池内部放热反应的发生，如此恶性循环导致电池温度迅速升高而造成最终失控的局面，引起电池燃烧或爆炸。 　　 锂离子电池的热失控是电池从正常状态到被破坏，并可能导致灾难性后果的一个过程。当电池热失控发生后，电解液中的易燃溶剂可能导致电池的燃烧甚至爆炸，特别是在电池的封闭体系被打开，电解液在与空气中的氧气接触后，灾难性的后果往往难以避免。因此，锂离子电池的安全问题可以分为两个层次：一是封闭的锂离子电池体系未被破坏，但是有潜在发生危险的可能，主要涉及到材料的热稳定性，材料热稳定性尤其正极材料的热稳定性与热失控密切相关；二是电池体系已经遭到破坏，易燃的电解液和电池内部产生的氧气或电池外部的氧气作用，可能发生燃烧甚至爆炸的危险。 　　2.2 电池材料的热稳定性及杂质等引起的电池一致性和安全问题