专栏名称: PCEC 可持续发展服务

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技术贴 | 锂离子电池——能量源泉与防爆策略

PCEC 可持续发展服务 · 公众号 · 科技自媒体 · 2024-12-20 08:30

主要观点总结

本文介绍了锂离子电池的简介、爆炸原因以及提升锂离子电池安全性的措施。首先简述了锂离子电池的组成，然后详细分析了锂离子电池爆炸的三大原因，即从机械滥用、电气滥用和热滥用。接着，提出了多种提升锂离子电池安全性的措施，包括电极材料的优化、隔膜的优化、电解质的优化、热敏电阻的使用、安全阀的设置以及电池管理系统的配备等。

关键观点总结

关键观点1: 锂离子电池的组成和简介

锂离子电池由正极、负极、电解液和隔膜等组成。正极材料常用的有钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂等；负极材料常用的有石墨、硅等。

关键观点2: 锂离子电池爆炸的原因

锂离子电池发生热失控时，会产生高温、有毒气体和炙热颗粒，严重时可能燃烧爆炸。其诱因大致分为三类：机械滥用、电气滥用和热滥用。

关键观点3: 提升锂离子电池安全性的措施

为了降低锂离子电池的爆炸风险，研究人员从多个角度开发新的锂离子电池材料和设备。包括电极材料的优化、隔膜的优化、电解质的优化，以及使用热敏电阻、安全阀和配备电池管理系统等。

正文

目前，锂离子电池以其高能量密度、长寿命、轻质、环保等特性，越来越多的应用于电动汽车、便携式消费电子产品和储能系统等领域。然而，锂离子电池的安全问题一直是人们关注的焦点，尤其是其爆炸风险。 本文将系统介绍锂离子电池、电池爆炸原因以及提升锂离子电池安全性的措施。

图片来源：PCEC

一

锂离子电池简介

锂离子电池，简称锂电池，是一种以锂离子为主要载体的充电电池。它由正极、负极、电解液和隔膜等组成。正极材料常用的有钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂等；负极材料常用的有石墨、硅等；电解液是电池中离子传输的载体，对锂电池的性能起着至关重要的作用，一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐以及必要的添加剂等原料，在一定条件下按一定比例配制而成；隔膜的主要作用是分隔电池的正极和负极，防止两者直接接触而发生短路，锂电池隔膜的材质通常为不导电的聚合物薄膜，如多层聚酯薄膜、多层聚氨酯薄膜和多层聚乙烯薄膜等。

二

锂离子电池爆炸原因

当锂离子电池发生热失控时，电池会产生极高的温度、可燃性有毒气体和大量的炙热颗粒，严重时甚至会发生燃烧爆炸等情况。

对锂离子热失控现象进行深入分析发现，其诱因大致分为三类： 机械滥用、电气滥用和热滥用 。从低温到高温，锂离子电池内部燃爆的整个过程表现为：温度逐渐升高，隔膜逐渐分解，电解液与负极发生副反应并产生大量气体，正极发生不可逆的氧化分解反应，产生大量热量并堆积在电池内部，而电解液具有易燃性，在大量热量的作用下会出现燃烧反应，最终隔膜熔化破裂，电解液出现泄漏，电池内部气体压力增大并产生爆炸。

三

提升锂离子电池安全性的措施

目前，针对锂离子电池爆炸的原因，研究人员从多个角度设计开发新的锂离子电池材料和设备，从而降低锂离子电池的爆炸风险。

（1）电极材料的优化： 通过控制电极材料的晶体结构尺寸和形状，增强材料的离子扩散速度和电子传输速度，从而提高电池的放电容量和充电速度，助于提高电池的安全性；将正极材料制成纳米颗粒，增加材料的比表面积和反应活性，提高电池的能量密度和循环寿命，同时也有助于减少电极之间的距离，降低内部短路的风险；电极材料表面涂上一层保护层，防止电极与电解液之间的直接接触，减少电极的副反应和腐蚀，从而提高电池的循环寿命和安全性能；

（2）隔膜的优化： 选择具有更高耐热性、耐化学性和电化学稳定性的聚合物作为隔膜材料，或者将无机纳米粒子（如二氧化硅、氧化铝等）与聚合物复合，形成无机-有机复合隔膜，该方法够显著提高隔膜的机械强度、热稳定性和离子导电性，同时抑制锂枝晶的生长，从而降低内部短路的风险；优化隔膜的制备工艺和配方，提高隔膜的机械强度，较强的机械强度有助于防止隔膜在电池充放电过程中发生变形或破裂，从而降低内部短路的风险；

（3）电解质的优化： 聚合物电解质在安全性上相较于电解液有很大提高，在漏液和燃烧性方面都有进步。因此，正在开发使用聚合物电解质来替代传统的电解液；

（4）热敏电阻： 在电池装置的内部配备热敏电阻，当电池温度过高时，热敏电阻会自动断电，切断电池与外部的电路连接，防止电池继续升温，从而避免爆炸；

（5）安全阀： 在电池装置的内部配备安全阀，当电池内部压力过高时，安全阀会自动打开，释放内部气体，从而降低电池内部压力，防止爆炸；

（6）电池管理系统： 防爆型锂离子电池配备了电池管理系统（BMS）。BMS能够实时监测电池的状态，包括电压、电流、温度等参数。一旦发现异常，BMS会立即采取措施，如断电、报警等，防止电池爆炸。