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  • 1 # 狗旦345

    說到熱失控,可能有的朋友不是很熟悉,首先普及一下關於鋰離子電池熱失控的知識。首先何為熱失控呢?在英語中熱失控的所對應的英文為thermal runaway,直接翻譯就為熱胡亂跑。中文“熱失控”一詞很好的詮釋了熱失控的真諦,就是鋰離子電池的熱失去了控制。簡單的說呢,就是鋰離子電池內部由於各種因素,產熱速率很快,而鋰離子電池的散熱速率較慢,導致大量的熱量在鋰離子電池的內部積聚,誘發了一系列的副反應。例如負極SEI膜分解,正極活性物質分解,釋放出氧化性很高的遊離氧,與電解液發生氧化反應,這些副反應會進一步導致鋰離子電池內部的熱量積聚,壓力增大,最終導致鋰離子電池起火爆炸,威脅使用者的生命和財產安全。

    為了防止鋰離子電池在熱失控造成嚴重的安全問題,鋰離子電池一般會設計一個安全閥,在鋰離子電池發生熱控的時候,電池內部的壓力持續升高,在達到一個閾值時,安全閥被破壞,快速釋放鋰離子電池內部壓力,從而避免熱失控引發更為嚴重的問題,阻斷熱失控在電池組內的傳播。例如18650電池上蓋部分,一般會設計有洩壓結構,在電池內部壓力達到一定程度時,能夠快速釋放電池壓力,從而確保快速阻斷熱失控。一些大型的鋰離子電池一般會設計一個洩壓孔,孔內包含一個隔膜,在一定的壓力下,隔膜破裂釋放壓力。這些都是一些被動的安全措施,為了避免熱失控的發生,需要對鋰離子電池熱失控的機理,進行進一步的研究。

    說到鋰離子電池熱失控首先要了解誘發鋰離子電池熱失控的因素,總的來說導致鋰離子電池熱失控的因素主要分為兩類:1)內部因素(例如低溫充電、負極缺陷和過充導致負極形成的鋰枝晶穿透隔膜引發短路,鋰離子電池內部多餘物刺穿隔膜引發短路等);2)外部因素(例如電池大電流放電,正負極短路,高溫,擠壓、針刺等因素)。

    熟悉了鋰離子電池熱失控的誘發因素,我們需要對其機理有更加深刻的理解。首先從鋰離子電池的結構上,鋰離子電池分為正極極片,負極極片,隔膜和電解液等部分,其中負極在充放電的過程中,隨著Li的不斷嵌入,會導致負極電勢不斷降低,當負極的電勢低於1.5V時,電解液中的一些成分就開始在負極表面開始發生還原反應,形成一層固體-電解液介面膜,也就是通常我們所說的SEI膜,這層膜的主要成為為Li2CO3、LiF以及一些有機鋰鹽等成分組成,SEI膜的熱穩定性是影響鋰離子電池熱穩定性的重要因素。一般來說,在高於60℃時,SEI膜就開始分解,高於90℃時SEI膜幾乎全部分解,露出活性很高的負極表面,有可能誘發鋰離子電池熱失控。隨著鋰離子電池溫度的進一步提升,接下來會導致鋰離子電池隔膜高溫收縮,導致正負極活性物質接觸,發生短路,瞬間釋放出大量的熱量。短路點產生的高溫則會進一步導致正極氧化物分解,釋放出具有很高氧化性的遊離狀態氧,這些遊離氧會與有機電解液發生進一步的氧化反應,釋放出更多的熱量,大量的熱量積聚在鋰離子電池的內部,最終導致鋰離子電池發生起火爆炸等安全問題。

    從上述分析來看,影響鋰離子電池的熱穩定的因素主要是隔膜的熱收縮溫度和正極材料的熱穩定性,目前被廣泛採用的陶瓷塗層隔膜,就是利用了陶瓷塗層在高溫時對隔膜的支撐作用,減少隔膜收縮,從而提高了鋰離子電池的安全性,目前正在研發的無機物隔膜,據說可以將隔膜的熱穩定溫度提高到210℃以上,大大提升鋰離子電池的熱穩定性。對於正極材料的熱穩定性,目前常見的鋰離子電池材料的熱穩定性順序為:鈷酸鋰<三元材料<錳酸鋰<磷酸鐵鋰,熱穩定性越好,熱分解的溫度也就越高,相應的鋰離子電池的也就越安全,因此陶瓷塗層隔膜+磷酸鐵鋰電池是目前安全性最好的鋰離子電池。

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