提高鋰離子電池的執行安全的一些方法

2021-03-04 01:21:34 字數 3980 閱讀 4409

鋰電池發熱主要發生在大電流充電和大電流放電期間。由於製造工藝等原因,鋰電池內部都存在乙個「串聯電阻」,電阻值都不大,而且跟電池的容量有關,容量越大,這個「串聯電阻」越小,但都存在。鋰電池發熱主要就是由於這個「電阻」存在造成的,在大電流充電和大電流放電期間,「電阻」的發熱量較大,如果電池的散熱不好,就會感覺電池很熱,必須合理控制充放電電流,這樣可以明顯降低電池的發熱量。

對於鋰電池來說,原來鋰電池中的許多材料與水接觸後,可發生劇烈的化學反應並釋放出大量熱能導致發熱、燃燒現象。例如鋰電池正極的二氧化錳,只沾一小滴水便可出現發熱現象。鋰電池中的氯化亞硫與水接觸後,在生成鹽酸和二氧化硫的同時釋放熱能,幾種因素使鋰電池成為生活中的「火種」。

而對於手機電池之類的鋰離子電池,由於迴圈充放電使用,電池內部發生微短路的可能性越來越大,不正確使用造成高溫高壓,使電解液分解,隔膜破損,而發生洩漏或燃燒的可能,因此人們在使用鋰電池時一定要注意防水、防高溫、防潮濕,大電流放電時中間要有一定間斷期。各種主機停用後,應取下鋰電池置於乾燥、低溫處妥善保管,以預防和避免因鋰電池使用不當而引起家庭火災事故的發生。另外,也要避免銳物刺穿鋰電池。

電池放電原因:放電過快,有可能是電池容量小,放電電流長時間超過0.5c。

這裡著重強調:電池雖然消耗一定的電量,但靜止以後,電池有乙個恢復過程,極板的電化學過程仍然繼續進行,因此電壓會有所回公升,但並不意味著容量回公升;相反,長途行駛時路途不停車,極板的電化作用與電能的消耗同時進行,這會有三種情況出現:

①當電機額定電壓值低,電池容量較小,工作電流偏大,電壓會急劇降低,容量也很快消耗殆盡,對電池最為不利,長期這樣使用會縮短鋰離子電池的壽命,也會引發鋰離子電池的安全問題。

②電池的電化學反應速度僅能夠維持行車,3.7v鋰電池沒有恢復和喘息的機會,經常進行整迴圈充放電,稍不注意便會超消耗。遇到迎風上坡,耗電甚大,迫使電池極板急劇反應,電池外殼的熱度較高,會使電池受到損傷,縮短壽命,同時也說明容量也不富餘,要及時採取措施,或更換新電池,或增加電池容量。

③比較理想的是電池的電化學反應速度能從容地供給足夠的電能。電池的外殼沒有異常熱度,說明電池容量是富餘的,這樣使用既安全,電池壽命也長。

應當說明一點,電池外殼明顯發熱,內部電池本身的熱度就已經很高很高了。

使用鋰電池時,儘管時間很短,但執行結束後經常會發現,電池已膨脹發熱。這種情況很普遍。究其原因是超過電池內阻允許的過電流放電,使得電解液發生氣化而引起的。

因此應根據需要的動力來合理配備鋰電池的容量,不要使電流超過鋰電池的允許值。如果有必要,也可以調整電源管理系統來抑制過大電流。嚴格遵守不使電池過放電,就不會產生鋰電池問題。

但要注意:,電容量為10c以上的電池,只能在瞬間以15c以上放電,絕對不能連續以這樣大的電流放電。這是因為電池的內阻會產生過熱,當一旦超過70℃時,電池內部的隔膜就會迅速老化。

使之變成廢物。

使用10c以上大電流輸出時間長,除了特殊情況這樣做,除此之外,都不要大電流、長時間執行,過度的輸出鋰離子電池的電功率,好比運動員使用興奮劑一樣十分有害。

●由於應力過分集中(有稜尖角使勁按壓),使電池內的隔膜破損,著力點產生小洞,導致區域性短路。

●最初只有乙個點發熱,但因隔膜有熱熔性質、隨著繼續發熱,離子交換膜上的小孔慢慢擴大,兩極短路的部分也隨之擴大,最後導致整個電池發熱。

●由於內部的電解液是可燃的,因此電池很可能被誘發著火。

研究和解決:防短路、防過充電、防熱失控、防燃燒及不燃性電解液是應對動力電池安全性的關鍵。

鋰離子動力電池不安全行為的發生機制

鋰離子動力電池除了正常的充放電反應外,還存在很多潛在的放熱副反應。當電池溫度或充電電壓過高時,很容易引發這些放熱副反應。

主要的過熱副反應包括:1.sei膜在溫度高於130℃時分解,使電解液在裸露的高活性碳負極表面大量還原分解放熱,導致電池溫度公升高。這是引發電池熱失控的根本原因。

2.充電態正極的熱分解放熱,及進一步由活性氧引發的電解液分解,加劇了電池內部的熱量積累,促進了熱失控。

3.電解質的熱分解導致電解液分解放熱,加快了電池溫公升。

4.粘結劑與高活性負極的反應。lixc6與pvdf反應的起始溫度約為240℃,峰值290℃,反應熱為1500j/g。

主要的過充副反應為,有機電解液氧化分解,產生有機小分子氣體,導致電池內壓增大,溫度公升高。

當放熱副反應的產熱速率高於動力電池的散熱速率時,電池內部溫度急劇上公升,進入無法控制的自加溫狀態,即熱失控,導致電池燃燒。電池越厚,容量越大,散熱越慢,產熱量越大,越容易引發安全問題。

鋰離子動力電池不安全行為的引發因素

主要包括下述3種情況引起的短路:①隔膜表面導電粉塵、正負極錯位、極片毛刺和電解液分布不均等工藝因素;②材料中金屬雜質;③低溫充電、大電流充電、負極效能衰減過快導致負極表面析鋰,振動或碰撞等應用過程。

此外,還有大電流充電導致的區域性過充,極片塗層、電解液的分布不均引起區域性過充,正極效能衰減過快等過充因素。

鋰離子動力電池安全技術的進展

電池安全設計製造、ptc限流裝置、壓力安全閥、熱封閉隔膜及提高電池材料的熱穩定性等常規方法,有其侷限性,只能在一定程度上降低電池不安全行為的發生概率。要根本解決,需要研究防短路、防過充、防熱失控、防燃燒及不燃性電解液的新技術,建立電池自激發安全保護機制。

1.防止電池內部短路。陶瓷隔膜和負極熱阻層等保護塗層。

2.防止過充技術。

①氧化還原電對新增劑。在電解液中加入一種氧化還原電對o/r,當電池過充時,r在正極上氧化成o,隨之o擴散至負極又還原成r。如此內部迴圈,使充電電勢鉗制在安全值,抑制電解液分解及其他電極反應發生。

二甲氧基苯衍生物具有穩定的電壓鉗制能力,但因溶解度低,鉗制能力小於0.5c;電池自放電大。還需在shuttle分子結構方面進一步研究。

可逆過充電保護不僅能解決電池的過充電問題,且有利於電池組中單體電池的容量平衡,降低對電池一致性的要求,還能延長電池使用壽命。

②電壓敏感隔膜。在隔膜部分微孔中填充一種電活性聚合物,在正常充放電電壓區間,隔膜呈絕緣態,只允許離子傳導;當充電電壓達到控制值時,聚合物被氧化摻雜成為電子導電態,在正負極間形成聚合物導電橋,使充電電流旁路,可避免電池過充。

3.防止熱失控的技術。

①溫度敏感電極(ptc電極)。ptc材料在常溫下,分散於聚合物基質中的導電炭黑接觸良好,可形成良好的電子傳輸通道,複合材料有較高的電子導電性;當溫度上公升至複合物的居里轉化溫度時,聚合物基質膨脹,導電炭黑脫離接觸,複合物電導急劇下降。

高溫下,鑲嵌在ptc電極集流體和電極活性物塗層之間的ptc塗層電阻急劇增大,可切斷電流傳輸,終止電池反應,防止電池因熱失控引發的安全問題。

例如,ptc鈷酸鋰電池(licoo2)電極,實驗結果表明,在80~120℃高溫下,表現出良好的自激發熱阻斷效果,能防止電池因過充和外部短路引發的安全問題。

但ptc電極對內部短路無能為力。另外,聚合物ptc材料的溫度響應特性還有待進一步優化。

②熱封閉電極。在電極或隔膜表面修飾一層奈米球狀熱熔性材料。常溫下,球狀顆粒的堆積形成多孔,不影響離子的液相傳輸;當溫度公升高至球體材料的融化溫度時,球體融化成緻密膜,切斷離子傳輸,可終止電池反應。

③熱固化電池。在電解液中加入一種可以發生熱聚合的單體。當溫度公升高時發生聚合,使電解液固化,切斷離子傳輸,使電池反應終止。

例如,實驗表明,bmi電解液新增劑對電池充放電基本沒有影響,高溫下,bmi可抑制電池充放電。

4.防止電池燃燒的不燃性電解液。有機磷酸酯具有高阻燃、對電解質鹽較強溶解能力的特性。

例如,dmmp(二甲氧基甲基磷酸酯):低粘度(cp~1.75,25℃),低熔點、高沸點(-50~181℃),強阻燃(p-content:

25%),鋰鹽溶解度高。

不過,阻燃溶劑在應用中存在下述問題:與負極匹配性較差,電池充放電庫倫效率低。因此,需要尋找匹配的成膜新增劑。

動力電池商用化中應注意的安全問題

對鋰離子動力電池的安全性,首先,由於正極材料的熱分解只是熱失控反應的一部分,因此從理論上看,磷酸鐵鋰電池並非絕對安全,大容量電池裝車時要慎重。

其次,由於電池檢測的概率,通過安全性檢測的動力電池不能證明是絕對安全的。嚴格起見,應檢測全面充放迴圈一定周次後的電池;經歷低溫充電後的電池;對電池模組和電池組進行安全測試。

還有,在電池使用過程中,整車廠商盡可能將動力電池的環境溫度控制在20~45℃範圍,這樣既能有效提高電池使用壽命和可靠性,還能避免低溫析鋰造成的短路和高溫熱失控問題。

鋰離子電池的優點

也存在著一定的缺點,如 1 電池成本較高。主要表現在licoo2的 高 co的資源較小 電解質體系提純困難。2 不能大電流放電。由於有機電解質體系等原因,電池內阻相對其他類電池大。故要求較小的放電電流密度,一般放電電流在0.5c以下,只適合於中小電流的電器使用。3 需要保護線路控制。a 過充保護 電...

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