在国家政策的大力支持下,近年来随着越来越多的新能源汽车推向市场,但是锂离子电池动力汽车的安全问题也一直受到强烈的关注,2010年1月乌鲁木齐2辆纯电动客车自然事故;2011年7月上海825路纯电动公交车自燃及9月深圳233路锂离子混合动力公交车自燃;2012.5.26比亚迪纯电动出租车E6被撞起火造成3人死亡; 同时特斯拉豪华跑车自去年开始发生起火事故就多达6起,这些事故对锂离子电池的安全性提出了新的挑战。
目前我们之所以如此的关注锂离子动力电池的安全性能,是根据锂离子电池的特点决定的:
(1)锂离子电池的电压高,体积能量密度大,若在使用的过程中发生滥用或使用不当,造成热失控,在封闭的电池体系容易发生爆炸;
(2)锂离子电池中电解液溶剂为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC) 、碳酸甲乙酯(EMC)等有机溶剂,在高电压下容易发生分解,产生易燃的气体,进而引起电池起火,甚至爆炸;
(3)动力电池的单体容量高,体积较大,容量高放出的能量就高,其内部散热性变差,安全性降低。
引起锂离子电池安全的因素很多,但是主要的原因都与电池内部的反应有关,进而引起电池内部急速高温、高压导致锂离子电池内部热生成速率大于电池本身的散热速率,造成体系内部反应温度上升。体系内部的热失控可能造成两个方面的情况而爆炸:
(1)体系温度达到或超过电池内部材料的着火点温度而发生火灾;
(2)电池体系是一个密闭的反应体系,温度的升高,必然引起电池内部反应速度的加快,正负极材料的分解,电解液与活性物质的反应,产生大量的气体,在缺少保护的条件下,内部压力急剧上升而引起爆炸。
深入分析锂离子电池材料的各个组分的性质有利于研究分析电池安全性的实质,在电池充放电的过程中发生的副反应有如下几种情况:
1、SEI膜的分解
有研究表明:SEI膜中亚稳态组分(CH2OCO2Li)2等在充放电过程中可能会发生放生反应,产生易燃的气体乙炔,氧气,SEI膜的分解造成材料间的不稳定,引发温度上升;
2、正极材料的分解
在氧化状态,正极活性活性物质发生热分解,释放出氧气,氧气会进一步的与电解液中的溶剂发生反应或者材料与电解液之间直接反应,反应机理还不明确;
3、嵌锂负极引起电解液分解
嵌入负极的锂会同电解液中的某些溶剂(EC、PC、DMC)如发生反应产生烯烃类可燃物质,当负极与电解液不匹配时可能发生动力电池发生燃烧;
4、电解液自身分解
电解液本身就是易燃溶剂,在不同的组分中,电解液的分解电压不同,电解液在不同的材料中会发生分解,例如电解液中EC可分解产生 CO2和O2,同时又释放了热量。
如何保证锂离子电池的安全性能,首先电池的不安全性是由电池内部的不良反应引起的,研究新型稳定的材料或改善目前材料所固有的缺陷,提高材料的热稳定性成为首要目标;其次电池内部的反应是复杂的反应体系,深入了解材料间的界面反应动力学与热力学,找出引起热失控的根本原因;最后对锂离子电池制造和设计进一步的研究,锂离子的制造工艺非常复杂,其中的一个环节出现问题,对单体电池的影响可能微乎其微,但是组装成电池组后可能成为致命的缺陷。


