鋰離子電池全生命周期安全性研究范文

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摘要：在對鋰離子電池全生命周期的安全性問題展開分析的基礎上，對電池全生命周期安全性演變研究情況進行了探討，以便對電池的安全檢測和管理提出科學建議。

關鍵詞：鋰離子電池；全生命周期；安全性演變

1鋰離子電池全生命周期的安全性問題

目前，動力汽車使用的鋰離子電池的全生命周期大致可以劃分為五個階段，即生產階段、首次使用階段、重制階段、二次使用階段和回收階段。在首次使用之后，電池將被拆卸、拆解，經過檢測后重新制作成儲能系統，投入二次使用，以確保資源能夠得到充分利用。而想要實現鋰離子電池的二次使用，則要保證電池擁有較高安全性。因此，鋰離子電池全生命周期的安全性已經成為電池的重要指標，將對電池的應用產生制約。絕大多數鋰離子電池出現的安全問題，是由電池設計和制造缺陷引起。在電池老化衰減的過程中，需要經過多次安全性演變。因此加強鋰離子電池安全性演變研究，才能實現鋰離子電池的全生命周期標準化管理。

2鋰離子電池全生命周期安全性演變研究

2.1電池老化衰減與安全性演變研究從現有研究來看，電池安全性能變化，與電池老化衰減有著直接的關系。在鋰離子電池的全生命周期中，正負極及電解液等材料都將發生老化衰減。正極的老化衰減包含過渡金屬離溶解、晶體結構變壞、活性物質損失和鈍化膜形成等，會引起材料熱穩定性的變化，使電池充電能力下降。負極的衰減老化現象同樣包含活性物質損失，導致電池耐過充能力下降，同時也包含表面析鋰和SEI膜增厚，前者將導致材料熱穩定性下降，促使電池產熱速度提高，后者將使電池熱穩定性增加，造成電池產熱起始溫度提高。電池電解液氧化分解，則將導致電池產生更大的內壓，促使電池體積不斷膨脹。電池因導電劑失效、表面鈍化膜增加等因素引起的內阻增加問題的出現，將導致電池放電焦耳熱增加，使電池耐過充能力被削弱[1]。

2.2不同老化狀態下的電池安全性演變研究在鋰離子全生命周期中，會發生不同的老化，主要分為循環老化和儲存老化，將導致電池發生不同的安全性演變。2.2.1循環老化電池的安全性演變在循環老化狀態下，電池可能在過充電和短路等測試中發生爆炸、火災等情況，與電池的電濫用性能降低有關。因為在高溫或常溫的循環老化工況下，電池會因為內阻上升出現焦耳產熱增加的情況，導致電池發生熱失控。從研究結果來看，經過循環老化，經受擠壓、針刺等機械濫用，電池并不出現較大的安全性演變。但是在異常溫度沖擊下，電池熱穩定性會發生變化，導致電池出現熱失控或自產熱問題。出現這種情況，與循環老化引起電池負極表面SEI膜的穩定性變化有關，其在循環過程中不斷破裂，導致不穩定的膜產生，將難以起到保護石墨極的作用，導致石墨極與電解液反應，促使電池熱穩定性下降，在負極析出鋰。結合當前研究進展可知，低溫循環后進行電池絕熱熱失控測試，在30~100℃，電池產熱速率迅速提高，會析出十分活波的鋰金屬，與電解液反應，導致電池的安全性降低。在常溫循環測試下進行電池絕熱熱失控測試，在達到600次循環時電池自產熱溫度下降至60.5℃，升溫速率不斷提升，安全性隨之降低，在過充測試中經過400次循環則會發生爆炸、著火情況。2.2.2儲存老化電池的安全性演變在儲存老化工況下，電池在絕熱熱失控測試下會出現自產熱起始溫度提高的情況，產熱速率會隨之下降。在儲存時間增加的條件下，這兩個參數也會隨之增加。因此可以說明，經過儲存，鋰離子電池耐熱濫用性能會隨之提升。在100%的SOC條件下，將電池在常溫或高溫狀態下儲存4h，電池容量將有所衰減，溫度越高衰減越大，在過充電測試中僅有儲存溫度達到90℃的電池會起火。在儲存老化至電池容量衰減為原本的33%~80%的條件下，擠壓測試中電池不會出現安全性問題。因此從當前研究進展來看，經過儲存老化，鋰離子電池會因為負極表面SEI膜穩定而獲得更高的電池熱穩定性，不會出現SEI膜破裂的情況。因為在儲存的過程中，電池中SEI膜的不穩定將轉化為穩態，更好地為石墨負極提供保護。但是在儲存過程中，電池可能會因為氣體的產生而碰撞，導致電池安全性受到影響。此外，經過儲存老化，電池內阻會增加，在電濫用條件下同樣會出現焦耳產熱增加的情況，因此會導致電池的耐電濫用性能減弱。

3結論

鋰離子電池的生產、使用將經歷較長的全生命周期，整個過程都要加強安全檢測，保證電池的安全性，才能更好進行鋰離子電池的設計和生產。從電池全生命周期安全性演變研究進展來看，在循環使用和儲存老化的過程中，電池安全性降低主要是由電池濫用引發的，同時也會受到環境溫度的影響，導致電池內部產生不可逆熱反應，因此還應加強實時檢測和安全管理，以免電池使用、儲存過程中發生安全事故。

參考文獻

[1]崔妍，付強，潘薇，等.動力汽車用鋰離子電池全生命周期標準體系建設研究分析[J].標準科學，2016（12）：23-29.

作者：邵曉挺 馮浩 單位：合肥工業大學化學與化工學院