改善電池的安全保護(hù)設(shè)計提升電池的安全性能

鋰離子電池廣泛應(yīng)用于消費電子、動力電池及儲能等領(lǐng)域，其在方便人們生產(chǎn)、生活的同時，也存在一定的安全問題，有關(guān)鋰離子電池起火、爆炸的事件時有發(fā)生。

安全問題是鋰離子電池與生俱來的，鋰離子電池自身是一種儲能裝置，內(nèi)部存儲的能量瞬時釋放會產(chǎn)生大量的熱。此外，由于工作電壓高，鋰離子電池難以使用無機(jī)材料，而采用有機(jī)材料體系，是誘發(fā)安全問題的主要原因之一。引起鋰離子電池安全問題的因素可以分為外部因素和內(nèi)部因素。內(nèi)部因素與電池的設(shè)計、選材與生產(chǎn)工藝有關(guān)，例如電池自身由于金屬雜質(zhì)、電極毛刺等原因?qū)е赂裟ご檀瑥亩l(fā)正負(fù)極內(nèi)部短路。外部因素是指鋰離子電池受到過充、短路、振動、擠壓等外部應(yīng)力后內(nèi)部物質(zhì)發(fā)生熱失控從而引發(fā)起火爆炸。 對于鋰離子電池存在的安全問題，可以通過提高電解液的安全性、提高電極材料的安全性以及改善電池的安全保護(hù)設(shè)計等手段提升電池的安全性能。

固態(tài)電池

在電解質(zhì)方面，采用非可燃性固態(tài)電解質(zhì)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液態(tài)電解液是一種有效策略。采用固態(tài)電解質(zhì)的電池即固態(tài)電池，較之傳統(tǒng)的鋰離子電池，其最突出的優(yōu)點就是安全性。固態(tài)電池正極材料不容易析氧，負(fù)極可以含有金屬鋰，不容易和鋰持續(xù)發(fā)生副反應(yīng)，也不容易熱失控，不容易脹氣，高溫穩(wěn)定性好。固態(tài)電解質(zhì)的絕緣性使得其良好地將電池正極與負(fù)極阻隔，避免正負(fù)極接觸產(chǎn)生短路的同時能充當(dāng)隔膜的功能。固態(tài)電池技術(shù)的核心在于電解質(zhì)的革新，最終目標(biāo)是實現(xiàn)電解質(zhì)的全固態(tài)化；隨著電池能量密度需求的不斷上升，技術(shù)難題也不斷增大，而混合固液電池則可以作為全固態(tài)電池重要的過渡技術(shù)，在技術(shù)革新的過程中逐步減少對液態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用，從液態(tài)逐步實現(xiàn)到半固態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)，最終實現(xiàn)全固態(tài)的目標(biāo)。目前，半固態(tài)電池已經(jīng)逐步量產(chǎn)。

鈦酸鋰電池

在電極材料方面，有研究者指出，鋰離子電池充電態(tài)的正極會釋放氧氣，只產(chǎn)生較少熱量，即電池不會被內(nèi)部短路的熱量產(chǎn)生點燃；但有負(fù)極存在時，強(qiáng)還原性的負(fù)極（碳系材料）會消耗正極產(chǎn)生的氧氣，并產(chǎn)生大量熱，最終導(dǎo)致整個電池出現(xiàn)熱失控。換句話說，碳系材料本身是易燃物，再加上碳系材料嵌鋰會形成化合物L(fēng)iC6，其性質(zhì)接近于鋰單質(zhì)，在空氣中就可以直接自燃。所以，鋰電池的安全性短板是因為存在碳系負(fù)極材料，是材料本身的安全隱患。有鑒于此，鈦酸鋰電池受到關(guān)注。 鈦酸鋰材料突破了傳統(tǒng)石墨負(fù)極二維層狀結(jié)構(gòu)的局限，具有穩(wěn)定的三維晶體結(jié)構(gòu)，在充放電過程中，材料結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生變化，被稱為“零應(yīng)變材料”。與石墨負(fù)極材料相比，鈦酸鋰材料幾乎不形成熱穩(wěn)定性差的SEI膜，避免了SEI膜在高溫分解時引發(fā)的熱失控導(dǎo)致電池起火、爆炸的隱患。 鈦酸鋰材料對鋰金屬電位更高，避免了電池在過充過程中生成枝晶，安全穩(wěn)定性更好；同時，具備三維的鋰離子傳輸通道，可高倍率充放電：在-50℃極低溫至60℃的超高溫范圍內(nèi)實現(xiàn)完全充放電。

半固態(tài)電池VS鈦酸鋰電池

對于半固態(tài)電池與鈦酸鋰電池的安全性能，有研究人員對其進(jìn)行了安全測試。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，研究人員分別對兩種電池進(jìn)行了針刺試驗、極限過充試驗、短路試驗、極限加熱試驗，并根據(jù)測試結(jié)果對兩種電池在軌道交通方面的應(yīng)用做出評估。 （1）兩種電池的性能參數(shù)

半固態(tài)磷酸鐵鋰電池及鈦酸鋰電池性能參數(shù)（2）半固態(tài)電池VS鈦酸鋰電池測試結(jié)果①針刺實驗

針刺實驗結(jié)果 通過針刺試驗，兩組試驗對象僅存在些許壓降及一定溫升，除此之外無明顯表現(xiàn)現(xiàn)象。 ②極限過充實驗

極限過充實驗結(jié)果 極限過充試驗中，鈦酸鋰電池出現(xiàn)起火，半固態(tài)磷酸鐵鋰電池在鼓包一段時間后泄氣并過充至19V。根據(jù)測試曲線，半固態(tài)磷酸鐵鋰電池過充持續(xù)時間僅10min，發(fā)生過充故障時SOC為117%；鈦酸鋰電池過充持續(xù)時間48min，發(fā)生過充故障時SOC為218%。在起火前，鈦酸鋰電池溫升變化率低于半固態(tài)磷酸鐵鋰電池，起火瞬間溫度產(chǎn)生突變。兩種電池均能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，且鈦酸鋰電池的過充能力（耐受過充時間）遠(yuǎn)高于半固態(tài)磷酸鐵鋰電池。 ③短路實驗

短路實驗結(jié)果 短路試驗中，兩種電池的最大短路電流均大于800A，最大溫升在100K左右，半固態(tài)磷酸鐵鋰電池存在明顯鼓包現(xiàn)象，鈦酸鋰電池?zé)o明顯表現(xiàn)現(xiàn)象。 ④極限加熱實驗

極限加熱實驗結(jié)果 極限加熱試驗過程中，兩組電池均在200℃以下發(fā)生溫度突變，同時電壓快速降低至0V并伴隨著較為劇烈的冒煙現(xiàn)象。兩種被試品的過溫能力都遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的130℃，具有較高的安全性。 通過測試可以看出，半固態(tài)磷酸鐵鋰電池和鈦酸鋰電池均具有較高的安全性。鈦酸鋰電池具有很高的過充能力，可長時間承受過充；半固態(tài)磷酸鐵鋰電池雖然過充能力較差，但在過充后沒有產(chǎn)生起火現(xiàn)象，具有很好的安全性。研究人員認(rèn)為鈦酸鋰電池具備大倍率充放電性能，在軌道交通領(lǐng)域可以作為首選動力電池進(jìn)行應(yīng)用。半固態(tài)磷酸鐵鋰電池雖然其功率性能及壽命不如鈦酸鋰電池，但在某些特定場景中（比如軌道交通的輔助系統(tǒng)、備用電源及功率性能要求較低的調(diào)車動力電池等方面）也具有很好的應(yīng)用前景。

小結(jié)

以上是對半固態(tài)電池與鈦酸鋰電池安全性問題的介紹。電池安全無小事，同時它也是一個綜合性問題，并非由單個因素決定。鋰電安全需要從技術(shù)、政策、產(chǎn)業(yè)、市場等多方面進(jìn)行完善，非一朝一夕之功，未來鋰電安全任重而道遠(yuǎn)。

審核編輯：郭婷