從材料、設(shè)計(jì)和工藝三方面搞懂鋰電池安全技術(shù)!

綜述了鋰離子電池的危險(xiǎn)性，分析了產(chǎn)生鋰離子電池產(chǎn)品安全問題的原因。從材料、設(shè)計(jì)和工藝3個(gè)角度，簡要地介紹了一些常用的安全技術(shù)，并提出了一些安全性設(shè)計(jì)的實(shí)例。

一、鋰離子電池的危險(xiǎn)性

鋰離子電池從其自身的化學(xué)特性和體系組成上，決定了其是一種具有潛在危險(xiǎn)的化學(xué)電源。

1化學(xué)活性高

鋰是元素周期表第二周期第I主族元素，具有極活潑的化學(xué)性質(zhì)。

2 能量密度高

鋰離子電池比能量極高（≥140 Wh/kg）， 是鎳鎘、鎳氫等二次電池的數(shù)倍，若發(fā)生熱失控反應(yīng)，就會(huì)放出很高的熱量容易導(dǎo)致不安全行為的發(fā)生。

3 采用有機(jī)電解質(zhì)體系

有機(jī)電解質(zhì)體系的有機(jī)溶劑是碳?xì)浠衔?，分解電壓較低，易發(fā)生氧化，并且溶劑易燃；若出現(xiàn)泄漏等情況，則會(huì)引起電池著火，甚至燃燒、爆炸。

4 副反應(yīng)概率大

鋰離子電池在正常使用的過程中，其內(nèi)部進(jìn)行電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)正反應(yīng)。但在某些條件下，如對其過充電、過放電或過電流工作時(shí)，就很容易會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)副反應(yīng)；該副反應(yīng)加劇后，會(huì)嚴(yán)重影響電池的性能與使用壽命，并可能產(chǎn)生大量的氣體，使電池內(nèi)部的壓力迅速增大后爆炸起火而導(dǎo)致安全問題。

5 電極材料的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定

鋰離子電池過充電反應(yīng)會(huì)使正極材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而使材料具有很強(qiáng)的氧化作用，使電解液中的溶劑發(fā)生強(qiáng)烈的氧化；并且這種作用是不可逆的，反應(yīng)引發(fā)的熱量如果積累則會(huì)存在引發(fā)熱失控 的危險(xiǎn)。

二、鋰離子電池產(chǎn)品安全問題原因分析

鋰離子電池產(chǎn)品經(jīng)過30年的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，安全技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，有效地控制了電池內(nèi)副反應(yīng)的發(fā)生，保證了電池的安全性。但是，隨著鋰離子電池的使用越來越廣泛，能量密度越來越高，近年來還是屢屢發(fā)生爆炸傷人或因安全隱患召回產(chǎn)品等事件。我們總結(jié)造成鋰離子電池產(chǎn)品安全問題的原因主要有以下幾點(diǎn)：

1 電芯材料問題

電芯所用的材料包括：正極活性物質(zhì)、負(fù)極活性物質(zhì)、隔膜、電解質(zhì)和外殼等，材料的選用和所組成體系的匹配決定著電芯的安全性能。在選用正、負(fù)極活性材料和隔膜材料時(shí)，廠家沒有對原材料特性和匹配性進(jìn)行一定的考核，造成了電芯安全性的先天不足。

2 生產(chǎn)工藝問題

電芯原材料檢測不嚴(yán)，生產(chǎn)環(huán)境差，導(dǎo)致生產(chǎn)中混入雜質(zhì)，不僅對電池的容量有較大的不利，對電池的安全性也有很大的影響；另外，電解液中如果混入了過多的水分， 可能就會(huì)發(fā)生副反應(yīng)而增大電池內(nèi)壓，對安全造成影響；由于生產(chǎn)工藝水平的限制， 在電芯的生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品無法達(dá)到良好的一致性，比如電極基體平整度差、電極活性材料出現(xiàn)脫落、活性材料中混入其它雜質(zhì)、極耳焊接不牢、焊接溫度不穩(wěn)定、極片邊緣有毛刺以及關(guān)鍵部 位無使用絕緣膠帶等問題，都可能會(huì)對電芯的安全 性帶來不利的影響。

3電芯設(shè)計(jì)缺陷，安全性能降低

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，許多對安全有影響的關(guān)鍵點(diǎn)沒有被廠家重視，如關(guān)鍵部位沒有絕緣膠帶，隔膜設(shè)計(jì)沒有留有余量或余量不足，正負(fù)極容量比設(shè)計(jì)不合理，正負(fù)極活性物質(zhì)面積比設(shè)計(jì)不合理，極耳長度設(shè)計(jì)不合理等，這些都可能對電池的安全性埋下隱患。另外在電芯的生產(chǎn)過程中，一些電芯生產(chǎn)廠家為了節(jié)省成本和提高性能，盡量節(jié)省和壓縮原材料，如減少隔膜面積、減薄銅箔、鋁箔以及不使用泄壓閥、不使用絕緣膠帶等，這些都會(huì)降低電池的安全性。

4 能量密度過高

目前市場上都在追求更高容量的電池產(chǎn)品，廠家為了增加產(chǎn)品競爭力，不斷提高鋰離子電池的體積比能量，這在很大程度上增加了電池的危險(xiǎn)性。

三、安全技術(shù)

雖然鋰離子電池具有諸多危險(xiǎn)隱患，但是在特定的使用條件下，以及采用一定的措施是可以有效地控制電芯內(nèi)副反應(yīng)和劇烈反應(yīng)的發(fā)生，保證其使用安全的。下面就簡單介紹幾種鋰離子電池常用的安全技術(shù)。

1 選用安全系數(shù)更高的原材料

選用安全系數(shù)更高的正負(fù)極活性材料、隔膜材料和電解液。

a）正極材料的選擇

正極材料的安全性主要基于以下3個(gè)方面：

1 材料的熱力學(xué)穩(wěn)定性；

2 材料的化學(xué)穩(wěn)定性；

3 材料的物理性能。

b）隔膜材料的選擇

隔膜的主要作用是將電池的正、負(fù)極分隔開，防止正負(fù)極接觸而短路，同時(shí)具有使電解質(zhì)離子通過的能力，即具有電子絕緣性和離子導(dǎo)通性。鋰離子電池選用隔膜時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1 具有電子絕緣性，保證正負(fù)極的機(jī)械隔離；

2 有一定的孔徑和孔隙率，保證低的電阻和高的離子電導(dǎo)率；

3 隔膜材料具有足夠的化學(xué)穩(wěn)定性，必須耐電解液腐蝕；

4 隔膜要有自動(dòng)關(guān)斷保護(hù)的功能 ；

5 隔膜的熱收縮率和變形性要盡可能地小；

6 隔膜要具有一定的厚度；

7隔膜要具有較強(qiáng)的物理強(qiáng)度并有足夠大的抗穿刺的能力。

c）電解液的選擇

電解液是鋰離子電池的重要組成部分，在電池正負(fù)極之間起著輸送和傳導(dǎo)電流的作用。鋰離子電池使用電解液是以適當(dāng)?shù)匿圎}溶解在有機(jī)非質(zhì)子混合溶劑中而形成的電解質(zhì)溶液。它通常應(yīng)滿足以下幾方面的要求：

1 化學(xué)穩(wěn)定性好， 與電極活性物質(zhì)、集流體和隔膜不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；

2 電化學(xué)穩(wěn)定性好，具有較寬的電化學(xué)窗口；

3 鋰離子電導(dǎo)率高，電子電導(dǎo)率低；

4 液態(tài)溫度范圍寬；

5 安全無毒，對環(huán)境友好。

2 加強(qiáng)電芯整體安全性設(shè)計(jì)

電芯是將電池各種物質(zhì)組合起來的紐帶，是正極、負(fù)極、隔膜、極耳和包裝膜等系統(tǒng)之集成，電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不單影響到各種材料性能的發(fā)揮，還對電池的整體電化學(xué)性能、安全性能產(chǎn)生重要的影響。材料的選擇與電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正是一種局部與整體的關(guān)系，在電芯設(shè)計(jì)上，應(yīng)該結(jié)合材料特性來制定合理的結(jié)構(gòu)模式。

另外，在鋰電池結(jié)構(gòu)上還可以考慮一些額外的保護(hù)裝置，常見的保護(hù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有以下幾種：

1 采用開關(guān)元件，當(dāng)電池內(nèi)的溫度上升時(shí)，它的阻值隨之上升，當(dāng)溫度過高時(shí)，會(huì)自動(dòng)停止供電；

2 設(shè)置安全閥（就是電池頂部的放氣孔），電池內(nèi)部壓力上升到一定的數(shù)值時(shí)，安全閥自動(dòng)打開，保證電池的使用安全性。

下面對電芯結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)提出一些實(shí)例：

a） 正負(fù)極容量比和設(shè)計(jì)大小片

根據(jù)正負(fù)極材料的特性來選擇合適的正負(fù)極容量比，電芯的正負(fù)極容量的配比是關(guān)系到鋰離子電池安全性的重要環(huán)節(jié)，正極容量過大將會(huì)出現(xiàn)金屬鋰在負(fù)極表面沉積， 而負(fù)極過大電池的容量會(huì)有較大的損失。一般而言，N/P=1.05～1.15，并根據(jù)實(shí)際的電池容量和安全性要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇。設(shè)計(jì)大小片，使負(fù)極膏體（活性物質(zhì)） 位置包?。ù笥冢┱龢O膏體位置，一般寬度應(yīng)大1～5 mm，長度應(yīng)大5～10 mm。

b） 隔膜寬度留有余量

隔膜寬度設(shè)計(jì)的總體原則是防止正負(fù)極片直接接觸而發(fā)生內(nèi)部短路，由于電池在充放電過程中和熱沖擊等環(huán)境下，隔膜的熱收縮性導(dǎo)致隔膜在長度和寬度方向上發(fā)生變形，隔膜褶皺的區(qū)域由于正負(fù)極間的距離增大，致使極化增大；隔膜拉伸的區(qū)域由于隔膜變薄而使微短路的可能性加大；隔膜邊緣區(qū)域的收縮則可能導(dǎo)致正負(fù)極直接接觸而發(fā)生內(nèi)短路，這些都會(huì)使電池因熱失控而發(fā)生危險(xiǎn)。因此，在設(shè)計(jì)電池時(shí)，在隔膜的面積和寬度的使用上必須考慮其收縮特性，隔離膜要比陽極、陰極大。考慮在工藝誤差外，隔離膜必須比極片外邊長至少0.1mm。

c） 絕緣處理

內(nèi)短路是鋰離子電池存在安全性隱患的重要因素，在電芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在很多引發(fā)內(nèi)短路的潛 在危險(xiǎn)部位，因此應(yīng)該在這些關(guān)鍵位置設(shè)置必要的措施或者絕緣，以防止在異常情況下發(fā)生電池內(nèi)短路，比如：正負(fù)極耳間保持必要的間距；收尾單面中間無膏體位需貼絕緣膠帶，并將裸露部分全部包??；正極鋁箔和負(fù)極活性物質(zhì)之間貼絕緣膠帶；應(yīng)用絕緣膠帶將極耳焊接部分全部包??；電芯頂部采用絕緣膠帶等。

d） 設(shè)置安全閥 （泄壓裝置）

鋰離子電池發(fā)生危險(xiǎn)，常常是因?yàn)閮?nèi)部溫度過高或壓力過大而引發(fā)爆炸、起火；設(shè)置合理的泄壓裝置，能在危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)迅速釋放電池內(nèi)部的壓力和熱量，減少爆炸危險(xiǎn)。合理的泄壓裝置要求既能滿足電池正常工作時(shí)的內(nèi)壓又能在內(nèi)壓達(dá)到危險(xiǎn)極限的時(shí)候自動(dòng)打開而泄放壓力，泄壓裝置的設(shè)置位置 需要考慮電池外殼因內(nèi)壓增大所產(chǎn)生形變的特性來設(shè)計(jì)；安全閥的設(shè)計(jì)可以通過薄片、邊緣、接縫和刻痕等來實(shí)現(xiàn)。

3 提高工藝水平

努力做好電芯生產(chǎn)過程中的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。在混料、涂布、烘烤、壓實(shí)、分切和卷繞等步驟中，制定標(biāo)準(zhǔn)化（如隔膜寬度、電解液注液量等），改進(jìn)工藝手段（如低氣壓注液法、離心裝殼法等），做好工藝控制，保證工藝質(zhì)量，縮小產(chǎn)品間的差異；在對安全有影響到關(guān)鍵步驟設(shè)置特殊工步（如去極片毛刺、掃粉、對不同的材料采用不同的焊接方法等），實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量監(jiān)控，消除缺陷部位，排除有缺陷產(chǎn)品（如極片變形、隔膜刺破、活性材料脫落和電解液泄漏等）；保持生產(chǎn)場所的整潔、清潔， 實(shí)施5S管理和6-sigma質(zhì)量控制，防止生產(chǎn)中混入雜質(zhì)和水分，盡量減少生產(chǎn)中的意外情況對安全性的影響。