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锂离子电池常用的安全技术详解
锂离子电池常用的安全技术详解
  • 发布时间:2020-10-10 17:46

锂离子电池常用的安全技术详解

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1选用安全系数更高的原材料


选用安全系数更高的正负极活性材料、隔膜材料和电解液。


a)正极材料的选择


正极材料的安全性重要基于以下3个方面:


1材料的热力学稳定性;


2材料的化学稳定性;


3材料的物理性能。


选择更安全的电极材料,比如选择锰酸锂材料,在分子结构方面保证了在满电状态,正极的锂离子已经完全嵌入到负极炭孔中,从根本上防止了枝晶的出现。同时锰酸锂稳固的结构,使其氧化性能远远低于钴酸锂,分解温度超过钴酸锂100℃,即使由于外力发生内部短路(针刺),外部短路,过充电时,也完全能够防止了由于析出金属锂引发燃烧、爆炸的危险。


另外,采用锰酸锂材料还可以大幅度降低成本。


b)隔膜材料的选择


隔膜的重要用途是将电池的正、负极分隔开,防止正负极接触而短路,同时具有使电解质离子通过的能力,即具有电子绝缘性和离子导通性。当温度升高时,在隔膜熔化前进行关闭,从而使内阻上升至2000欧姆,让内部反应停止下来。锂离子电池选用隔膜时应注意以下几点:


1具有电子绝缘性,保证正负极的机械隔离;


2有一定的孔径和孔隙率,保证低的电阻和高的离子电导率;


3隔膜材料具有足够的化学稳定性,必须耐电解液腐蚀;


4隔膜要有自动关断保护的功能;


5隔膜的热收缩率和变形性要尽可能地小;


6隔膜要具有一定的厚度;


7隔膜要具有较强的物理强度并有足够大的抗穿刺的能力。


c)电解液的选择


电解液是锂离子电池的重要组成部分,在电池正负极之间起着输送和传导电流的用途。锂离子电池使用电解液是以适当的锂盐溶解在有机非质子混合溶剂中而形成的电解质溶液。它通常应满足以下几方面的要求:


1化学稳定性好,与电极活性物质、集流体和隔膜不发生化学反应;


2电化学稳定性好,具有较宽的电化学窗口;


3锂离子电导率高,电子电导率低;


4液态温度范围宽;


5安全无毒,对环境友好。


2加强电芯整体安全性设计


电芯是将电池各种物质组合起来的纽带,是正极、负极、隔膜、极耳和包装膜等系统之集成,电芯结构设计,不单影响到各种材料性能的发挥,还对电池的整体电化学性能、安全性能出现重要的影响。材料的选择与电芯结构设计正是一种局部与整体的关系,在电芯设计上,应该结合材料特性来制定合理的结构模式。


另外,在锂离子电池结构上还可以考虑一些额外的保护装置,常见的保护机构设计有以下几种:


1采用开关元件,当电池内的温度上升时,它的阻值随之上升,当温度过高时,会自动停止供电;


2设置安全阀(就是电池顶部的放气孔),电池内部压力上升到一定的数值时,安全阀自动打开,保证电池的使用安全性。当内部压力或温度达到预置的标准时,防爆阀将打开,开始进行卸压,以防止内部气体积累过多,发生形变,最终导致壳体爆裂。


下面对电芯结构的安全设计提出一些实例:


a)正负极容量比和设计大小片


根据正负极材料的特性来选择合适的正负极容量比,电芯的正负极容量的配比是关系到锂离子电池安全性的重要环节,正极容量过大将会出现金属锂在负极表面沉积,而负极过大电池的容量会有较大的损失。一般而言,N/P=1.05~1.15,并根据实际的电池容量和安全性要求进行适当的选择。设计大小片,使负极膏体(活性物质)位置包住(大于)正极膏体位置,一般宽度应大1~5mm,长度应大5~10mm。


b)隔膜宽度留有余量


隔膜宽度设计的总体原则是防止正负极片直接接触而发生内部短路,由于电池在充放电过程中和热冲击等环境下,隔膜的热收缩性导致隔膜在长度和宽度方向上发生变形,隔膜褶皱的区域由于正负极间的距离增大,致使极化增大;隔膜拉伸的区域由于隔膜变薄而使微短路的可能性加大;隔膜边缘区域的收缩则可能导致正负极直接接触而发生内短路,这些都会使电池因热失控而发生危险。因此,在设计电池时,在隔膜的面积和宽度的使用上必须考虑其收缩特性,隔离膜要比阳极、阴极大。考虑在工艺误差外,隔离膜必须比极片外边长至少0.1mm。


c)绝缘处理


内短路是锂离子电池存在安全性隐患的重要因素,在电芯的结构设计中存在很多引发内短路的潜在危险部位,因此应该在这些关键位置设置必要的措施或者绝缘,以防止在异常情况下发生电池内短路,比如:正负极耳间保持必要的间距;收尾单面中间无膏体位需贴绝缘胶带,并将裸露部分全部包住;正极铝箔和负极活性物质之间贴绝缘胶带;应用绝缘胶带将极耳焊接部分全部包住;电芯顶部采用绝缘胶带等。


d)设置安全阀(泄压装置)


锂离子电池发生危险,常常是因为内部温度过高或压力过大而引发爆炸、起火;设置合理的泄压装置,能在危险发生时迅速释放电池内部的压力和热量,减少爆炸危险。合理的泄压装置要求既能满足电池正常工作时的内压又能在内压达到危险极限的时候自动打开而泄放压力,泄压装置的设置位置要考虑电池外壳因内压增大所出现形变的特性来设计;安全阀的设计可以通过薄片、边缘、接缝和刻痕等来实现。


3提高工艺水平


努力做好电芯生产过程中的标准化和规范化。在混料、涂布、烘烤、压实、分切和卷绕等步骤中,制定标准化(如隔膜宽度、电解液注液量等),改进工艺手段(如低气压注液法、离心装壳法等),做好工艺控制,保证工艺质量,缩小产品间的差异;在对安全有影响到关键步骤设置特殊工步(如去极片毛刺、扫粉、对不同的材料采用不同的焊接方法等),执行标准化质量监控,消除缺陷部位,排除有缺陷产品(如极片变形、隔膜刺破、活性材料脱落和电解液泄漏等);保持生产场所的整洁、清洁,执行5S管理和6-sigma质量控制,防止生产中混入杂质和水分,尽量减少生产中的意外情况对安全性的影响。



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