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浅析锂电池的安全性、检测及解决方案

2017-07-21新材料在线

随着手机、数码产品、电动汽车的普及，锂离子电池在人们生活当中扮演着

越来越重要的角色。低能量密度、循环寿命有限等使用问题常常被人们诟病，但是

与这些问题相比，电池安全问题却是人们关注的焦点。近些年，由于电池安全问题

引发的事故比比皆是，很多问题造成的后果触目惊心，比如震惊业界的波音

787“梦幻”客机锂电池起火事件，以及SamsungGalaxyNote7大范围的电池起

火爆炸事件，给锂离子电池的安全性问题再次敲响了警钟。

一

锂离子电池的组成及工作原理

锂离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜以及外部连接、包装部件构

成。其中，正极、负极包含活性电极物质、导电剂、粘结剂等，均匀涂布于铜箔和

铝箔集流体上。

锂离子电池的正极电位较高，常为嵌锂过渡金属氧化物，或者聚阴离子化合

物，如钴酸锂、锰酸锂、三元、磷酸铁锂等；锂离子电池负极物质通常为碳素材

料，如石墨和非石墨化碳等；锂离子电池电解液主要为非水溶液，由有机混合溶剂

和锂盐构成，其中溶剂多为碳酸之类有机溶剂，锂盐多为单价聚阴离子锂盐，如六

氟磷酸锂等；锂离子电池隔膜多为聚乙烯、聚丙稀微孔膜，起到隔离正、负极物

质，防止电子通过引起短路，同时能让电解液中离子通过的作用。

在充电过程中，电池内部，锂以离子形式从正极脱出，由电解液传输穿过隔

膜，嵌入到负极中；电池外部，电子由外电路迁移到负极。在放电过程中：电池内

部锂离子从负极脱出、穿过隔膜，嵌入到正极中；电池外部，电子由外电路迁移到

正极。随着充、放电，迁移于电池间的是“锂离子”，而非单质“锂”，因此电池

被称为“锂离子电池”。

二

锂离子电池的安全隐患

一般来说，锂离子电池出现安全问题表现为燃烧甚至爆炸，出现这些问题的

根源在于电池内部的热失控，除此之外，一些外部因素，如过充、火源、挤压、穿

刺、短路等问题也会导致安全性问题。锂离子电池在充放电过程中会发热，如果产

生的热量超过了电池热量的耗散能力，锂离子电池就会过热，电池材料就会发生

SEI膜的分解、电解液分解、正极分解、负极与电解液的反应和负极与粘合剂的反

应等破坏性的副反应。

1

正极材料的安全隐患

当锂离子电池使用不当时，导致电池内部温度的升高，使正极材料会发生活

性物质的分解和电解液的氧化。同时，这两种反应能够产生大量的热，从而造成电

池温度的进一步上升。不同的脱锂状态对活性物质晶格转变、分解温度和电池的热

稳定性影响相差很大。

2

负极材料的安全隐患

早期使用的负极材料是金属锂，组装的电池在多次充放电后易产生锂枝晶，

进而刺破隔膜，导致电池短路、漏液甚至发生爆炸。嵌锂化合物能够有效避免锂枝

晶的产生，大大提高锂离子电池的安全性。随着温度的升高，嵌锂状态下的碳负极

首先与电解液发生放热反应。相同的充放电条件下，电解液与嵌锂人造石墨反应的

放热速率远大于与嵌锂的中间相碳微球、碳纤维、焦碳等的反应放热速率。

3

隔膜与电解液的安全隐患

锂离子电池的电解液为锂盐与有机溶剂的混合溶液，其中商用的锂盐为六氟

磷酸锂，该材料在高温下易发生热分解，并与微量的水以及有机溶剂之间进行热化

学反应，降低电解液的热稳定性。电解液有机溶剂为碳酸酯类，这类溶剂沸点、闪

点较低，在高温下容易与锂盐释放PF5的反应，易被氧化。

4

制造工艺中的安全隐患

锂离子电池在制造过程中，电极制造、电池装配等过程都会对电池的安全性

产生影响。如正极和负极混料、涂布、辊压、裁片或冲切、组装、加注电解液的

量、封口、化成等诸道工序的质量控制，无一不影响电池的性能和安全性。浆料的

均匀度决定了活性物质在电极上分布的均匀性，从而影响电池的安全性。浆料细度

太大，电池充放电时会出现负极材料膨胀与收缩比较大的变化，可能出现金属锂的

析出；浆料细度太小会导致电池内阻过大。涂布加热温度过低或烘干时间不足会使

溶剂残留，粘结剂部分溶解，造成部分活性物质容易剥离；温度过高可能造成粘结

剂炭化，活性物质脱落造成电池内部短路。

5

电池使用过程中的安全隐患

锂离子电池在使用过程中应该尽可能减少过充电或者过放电，特别对于单体

容量高的电池，因热扰动可能会引发一系列放热副反应，导致安全性问题。

三