锂电池安全问题及技术汇总!.docx

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1、锂电池安全问题及技术汇总!一、锂离子电池的危险性锂离子电池从其自身的化学特性和体系组成上，决定了其是一种 具有潜在危险的化学电源。1化学活性高锂是元素周期表第二周期第I主族元素,具有极活泼的化学性质O2能量密度高锂离子电池比能量极高(140Whkg),是锲镉、银氢等二次电 池的数倍，若发生热失控反应，就会放出很高的热量容易导致不安全 行为的发生。3采用有机电解质体系有机电解质体系的有机溶剂是碳氢化合物，分解电压较低，易发 生氧化，并且溶剂易燃；若出现泄漏等情况，则会引起电池着火，甚 至燃烧、爆炸。4副反应概率大锂离子电池在正常使用的过程中，其内部进行电能与化学能相互 转化的化学正反应。但在某些

2、条件下，如对其过充电、过放电或过电 流工作时，就很容易会导致电池内部发生化学副反应；该副反应加剧 后，会严重影响电池的性能与使用寿命，并可能产生大量的气体，使 电池内部的压力迅速增大后爆炸起火而导致安全问题。5电极材料的结构不稳定锂离子电池过充电反应会使正极材料的结构发生变化而使材料 具有很强的氧化作用，使电解液中的溶剂发生强烈的氧化；并且这种 作用是不可逆的，反应引发的热量如果积累则会存在引发热失控 的 危险。二、锂离子电池产品安全问题原因分析锂离子电池产品经过30年的产业化发展，安全技术取得了长足 的进步，有效地控制了电池内副反应的发生，保证了电池的安全性。 但是，随着锂离子电池的使用越来

3、越广泛，能量密度越来越高，近年 来还是屡屡发生爆炸伤人或因安全隐患召回产品等事件。我们总结造 成锂离子电池产品安全问题的原因主要有以下几点：1电芯材料问题电芯所用的材料包括：正极活性物质、负极活性物质、隔膜、电 解质和外壳等，材料的选用和所组成体系的匹配决定着电芯的安全性 能。在选用正、负极活性材料和隔膜材料时，厂家没有对原材料特性 和匹配性进行一定的考核，造成了电芯安全性的先天不足。2生产工艺问题电芯原材料检测不严，生产环境差，导致生产中混入杂质，不仅 对电池的容量有较大的不利，对电池的安全性也有很大的影响；另外, 电解液中如果混入了过多的水分，可能就会发生副反应而增大电池 内压，对安全造成

4、影响；由于生产工艺水平的限制，在电芯的生产 过程中，产品无法达到良好的一致性，比如电极基体平整度差、电极 活性材料出现脱落、活性材料中混入其它杂质、极耳焊接不牢、焊接 温度不稳定、极片边缘有毛刺以及关键部位无使用绝缘胶带等问题, 都可能会对电芯的安全 性带来不利的影响。3电芯设计缺陷，安全性能降低在结构设计上，许多对安全有影响的关键点没有被厂家重视，如 关键部位没有绝缘胶带，隔膜设计没有留有余量或余量不足，正负极 容量比设计不合理，正负极活性物质面积比设计不合理，极耳长度设 计不合理等，这些都可能对电池的安全性埋下隐患。另外在电芯的生 产过程中，一些电芯生产厂家为了节省成本和提高性能，尽量节省

5、和 压缩原材料，如减少隔膜面积、减薄铜箔、铝箔以及不使用泄压阀、 不使用绝缘胶带等，这些都会降低电池的安全性。4能量密度过高目前市场上都在追求更高容量的电池产品，厂家为了增加产品竞 争力，不断提高锂离子电池的体积比能量，这在很大程度上增加了电 池的危险性。三、安全技术虽然锂离子电池具有诸多危险隐患，但是在特定的使用条件下, 以及采用一定的措施是可以有效地控制电芯内副反应和剧烈反应的 发生，保证其使用安全的。下面就简单介绍几种锂离子电池常用的安 全技术。1选用安全系数更高的原材料选用安全系数更高的正负极活性材料、隔膜材料和电解液。a）正极材料的选择正极材料的安全性主要基于以下3个方面：1材料的热

6、力学稳定性；2材料的化学稳定性；3材料的物理性能。b）隔膜材料的选择隔膜的主要作用是将电池的正、负极分隔开，防止正负极接触而 短路，同时具有使电解质离子通过的能力，即具有电子绝缘性和离子 导通性。锂离子电池选用隔膜时应注意以下几点：1具有电子绝缘性，保证正负极的机械隔离；2有一定的孔径和孔隙率，保证低的电阻和高的离子电导率；3隔膜材料具有足够的化学稳定性，必须耐电解液腐蚀;4隔膜要有自动关断保护的功能；5隔膜的热收缩率和变形性要尽可能地小；6隔膜要具有一定的厚度；7隔膜要具有较强的物理强度并有足够大的抗穿刺的能力。c）电解液的选择电解液是锂离子电池的重要组成部分，在电池正负极之间起着输 送和传

7、导电流的作用。锂离子电池使用电解液是以适当的锂盐溶解在 有机非质子混合溶剂中而形成的电解质溶液。它通常应满足以下几方 面的要求：1化学稳定性好，与电极活性物质、集流体和隔膜不发生化学 反应；2电化学稳定性好，具有较宽的电化学窗口；3锂离子电导率高，电子电导率低；4液态温度范围宽；5安全无毒，对环境友好。2加强电芯整体安全性设计电芯是将电池各种物质组合起来的纽带，是正极、负极、隔膜、 极耳和包装膜等系统之集成，电芯结构设计，不单影响到各种材料性 能的发挥，还对电池的整体电化学性能、安全性能产生重要的影响。 材料的选择与电芯结构设计正是一种局部与整体的关系，在电芯设计 上，应该结合材料特性来制定合

8、理的结构模式。另外，在锂电池结构上还可以考虑一些额外的保护装置，常见的 保护机构设计有以下几种：1采用开关元件，当电池内的温度上升时, 它的阻值随之上升，当温度过高时，会自动停止供电；2设置安全阀 （就是电池顶部的放气孔），电池内部压力上升到一定的数值时，安 全阀自动打开，保证电池的使用安全性。面对电芯结构的安全设计提出一些实例：a）正负极容量比和设计大小片根据正负极材料的特性来选择合适的正负极容量比，电芯的正负 极容量的配比是关系到锂离子电池安全性的重要环节，正极容量过大 将会出现金属锂在负极表面沉积，而负极过大电池的容量会有较大 的损失。一般而言，NP=1.05-1.15,并根据实际的电池

9、容量和安全 性要求进行适当的选择。设计大小片，使负极膏体（活性物质）位 置包住（大于）正极膏体位置，一般宽度应大15 mm,长度应大5 10 mm。b）隔膜宽度留有余量隔膜宽度设计的总体原则是防止正负极片直接接触而发生内部 短路，由于电池在充放电过程中和热冲击等环境下，隔膜的热收缩性 导致隔膜在长度和宽度方向上发生变形，隔膜褶皱的区域由于正负极 间的距离增大，致使极化增大；隔膜拉伸的区域由于隔膜变薄而使微 短路的可能性加大；隔膜边缘区域的收缩则可能导致正负极直接接触 而发生内短路，这些都会使电池因热失控而发生危险。因此，在设计 电池时，在隔膜的面积和宽度的使用上必须考虑其收缩特性，隔离膜 要比

10、阳极、阴极大。考虑在工艺误差外，隔离膜必须比极片外边长至 少 0.1mm。c）绝缘处理内短路是锂离子电池存在安全性隐患的重要因素，在电芯的结构 设计中存在很多引发内短路的潜 在危险部位，因此应该在这些关键 位置设置必要的措施或者绝缘，以防止在异常情况下发生电池内短路, 比如：正负极耳间保持必要的间距；收尾单面中间无膏体位需贴绝缘 胶带，并将裸露部分全部包住；正极铝箔和负极活性物质之间贴绝缘 胶带；应用绝缘胶带将极耳焊接部分全部包住；电芯顶部采用绝缘胶 带等。d）设置安全阀（泄压装置）锂离子电池发生危险，常常是因为内部温度过高或压力过大而引 发爆炸、起火；设置合理的泄压装置，能在危险发生时迅速释

11、放电池 内部的压力和热量，减少爆炸危险。合理的泄压装置要求既能满足电 池正常工作时的内压又能在内压达到危险极限的时候自动打开而泄 放压力，泄压装置的设置位置 需要考虑电池外壳因内压增大所产生 形变的特性来设计；安全阀的设计可以通过薄片、边缘、接缝和刻痕 等来实现。3提高工艺水平努力做好电芯生产过程中的标准化和规范化。在混料、涂布、烘 烤、压实、分切和卷绕等步骤中，制定标准化（如隔膜宽度、电解液 注液量等），改进工艺手段（如低气压注液法、离心装壳法等），做好 工艺控制，保证工艺质量，缩小产品间的差异；在对安全有影响到关 键步骤设置特殊工步（如去极片毛刺、扫粉、对不同的材料采用不同 的焊接方法等），实施标准化质量监控，消除缺陷部位，排除有缺陷 产品（如极片变形、隔膜刺破、活性材料脱落和电解液泄漏等）；保 持生产场所的整洁、清洁，实施5S管理和6sigma质量控制，防止 生产中混入杂质和水分，尽量减少生产中的意外情况对安全性的影响。