電池材料對鋰電池安全性的影響

1、電池材料對鋰電池安全性的影響一般而言，電池材料的熱穩(wěn)定性是動力鋰電池安全性的重要 因素。這主要與電池材料的熱活性有關(guān)。當(dāng)電池溫度升高時，電池內(nèi) 部會發(fā)生許多放熱反應(yīng)，如果產(chǎn)生的熱量超過了熱量的散失，就會發(fā) 生熱溢潰。創(chuàng)騏鋰電池材料之間主要放熱反應(yīng)有：SEI膜的分解；電 解液分解；正極分解；負(fù)極與電解液的反應(yīng)；負(fù)極與粘合劑的反應(yīng)； 此外，由于電池存在電阻，使用時也產(chǎn)生少量熱量。正極材料鋰電池正極材料一直是限制鋰電池發(fā)展的關(guān)鍵。和負(fù)極材料 相比，正極材料能量密度和功率密度低，并且也是引發(fā)鋰離子電池安 全隱患的主要原因。正負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)對鋰離子的嵌入和脫嵌有決定 性影響，因而影響著電池的循環(huán)壽命。使

2、用容易脫嵌的活性材料，充 放電循環(huán)時，活性材料的結(jié)構(gòu)變化小且可逆，有利于延長電池的壽命。 在鋰離子電池濫用的條件下，隨著電池內(nèi)部溫度的升高，正極發(fā)生活 性物質(zhì)的分解和電解液的氧化，這兩種反應(yīng)將產(chǎn)生大量的熱，從而導(dǎo) 致電池溫度的進(jìn)一步上升，同時不同的脫鋰狀態(tài)對活性物質(zhì)晶格轉(zhuǎn) 變、分解溫度和電池的熱穩(wěn)定性影響相差很大。尋找熱穩(wěn)定性較好的 正極材料是鋰離子動力電池的關(guān)鍵。層狀LiCoO2、LiNiO2、尖品石 LiMn2O4和橄欖石LiFePO4是目前研究較多的正極材料。LiCoO2熱 穩(wěn)定性適中，電化學(xué)性能優(yōu)異，但由于鉆資源的限制，LiCoO2在鋰 離子動力電池方面的應(yīng)用受到限制；LiNiO2雖然

3、容量較高，但合成困 難、循環(huán)性能較差，也不適合作為鋰離子動力電池的正極材料；LiMn2O4熱穩(wěn)定性好、資源豐富、價格低廉，適合作為鋰離子動力電 池的正極材料；LiFePO4由于合成原料資源豐富，成本低，對環(huán)境無 污染，又有較高的比容量、有效利用率、適宜的電壓及較好的循環(huán)性 能，是一種有應(yīng)用前景的鋰離子正極材料之一。負(fù)極材料早期使用的負(fù)極材料是金屬鋰，而以金屬鋰為負(fù)極組裝的電 池在多次充放電過程中易產(chǎn)生鋰枝品，鋰枝品會刺破隔膜，導(dǎo)致電池 短路、漏液甚至發(fā)生爆炸。使用嵌鋰化合物避免了鋰枝品的產(chǎn)生，從 而大大提高了鋰離子電池的安全性。目前在鋰離子二次電池中較具使 用價值和應(yīng)用前景的碳主要有三種：一是

4、高度石墨化得碳，二是軟碳 和硬碳，三是碳納米材料。金屬和合金類負(fù)極在循環(huán)過程中，體積會發(fā)生很大的變化，循 環(huán)壽命短。為延長壽命，采用金屬學(xué)上的近似法開發(fā)控制合金材料的 組成和微觀組織（納米級）及表面處理技術(shù)。近期研究表明：隨著溫度的升高，嵌鋰狀態(tài)下的碳負(fù)極將首先與電 解液發(fā)生放熱反應(yīng)。在相同的充放電條件下，電解液與嵌鋰人造石墨 反應(yīng)的放熱速率遠(yuǎn)大于嵌鋰的MCMB、碳纖維、焦炭等的反應(yīng)放熱速 率。硬碳類材料、軟碳類材料、石墨類材料的碳層間距約分別為 0.38nm、0.340.35nm、0.335nm，當(dāng)鋰嵌入碳層后，層間距約為 0.371nm。石墨類材料的層間距最小，其在鋰離子電池的嵌入和脫出過

5、程中形變最大，鋰離子在此類碳層中的擴(kuò)散速度也較慢，大電流充 放電時，極化大、電阻大，電池的安全性差，硬碳類材料則相反。然而也有人認(rèn)為：石墨化程度增加可以降低鋰離子擴(kuò)散的活化性 能，有利于鋰離子的擴(kuò)散，而硬碳類材料由于存在大量的空洞，大電 流充放時，其表現(xiàn)接近于金屬鋰負(fù)極，安全性反而不好。在新材料的探索方面，鋰化過渡金屬氮化物及過渡金屬磷族化合物 是很好的例子，對該類材料的進(jìn)一步研究有可能為鋰離子蓄電池負(fù)極 材料的發(fā)展注入新的活力。隔膜與電解液隔膜本身是電子的非良導(dǎo)體，但也允許電解質(zhì)離子通過。此 外，隔膜材料還必須具備良好的化學(xué)、電化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能以及 在反復(fù)充放電過程中對電解液保持高度浸潤

6、性，隔膜材料與電極之間 的界面相容性、隔膜對電解質(zhì)的保持性均對鋰離子電池的充放電性 能、循環(huán)性能等有較大影響。電解液在鋰電池的正、負(fù)極之間起著輸送Li+的作用，電解 液與電極的相容性直接影響電池的性能，電解液的研究開發(fā)對鋰離子 二次電池的性能和發(fā)展非常重要。從電池的安全性方面考慮，要求有 機(jī)電解液具有良好熱穩(wěn)定性，在電池發(fā)熱產(chǎn)生高溫的條件下保持穩(wěn) 定，整個電池不會發(fā)生熱失控。有機(jī)電解液對鋰離子動力電池安全性 的影響主要從溶劑、電解質(zhì)鋰鹽和添加劑三方面進(jìn)行研究。從根本上 解決鋰離子電池安全性問題應(yīng)為離子液體電解液。二、制造工藝及制造過程與電池的安全性鋰電池的制造工藝分為液態(tài)和聚合物鋰電池的制造工藝，無論是什么結(jié)構(gòu)的鋰離子電池，電極制造、電池裝配等制造過程都會對 電池的安全性產(chǎn)生影響。如正極和負(fù)極混料、涂布、輥壓、裁片或沖 切、組裝、加注電解液的量、封口、化成等諸道工序的質(zhì)量控制，無 一不影響電池的性能和安全性。漿料的均勻度決定了活性物質(zhì)在電極上分布的均勻性，從而影響電 池的安全性。漿料細(xì)度太大，電池充放電時會出現(xiàn)負(fù)極材料膨脹與收 縮比較大的變化，可能出現(xiàn)金屬鋰的析出；漿料細(xì)度太小會導(dǎo)致電