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(duì)鋰離子電池全生命周期的安全性問題展開分析的基礎(chǔ)上，對(duì)電池全生命周期安全性演變研究情況進(jìn)行了探討，以便對(duì)電池的安全檢測(cè)和管理提出科學(xué)建議。

關(guān)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(dòng)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(gè)階段，即生產(chǎn)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(jīng)過檢測(cè)后重新制作成儲(chǔ)能系統(tǒng)，投入二次使用，以確保資源能夠得到充分利用。而想要實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的二次使用，則要保證電池?fù)碛休^高安全性。因此，鋰離子電池全生命周期的安全性已經(jīng)成為電池的重要指標(biāo)，將對(duì)電池的應(yīng)用產(chǎn)生制約。絕大多數(shù)鋰離子電池出現(xiàn)的安全問題，是由電池設(shè)計(jì)和制造缺陷引起。在電池老化衰減的過程中，需要經(jīng)過多次安全性演變。因此加強(qiáng)鋰離子電池安全性演變研究，才能實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的全生命周期標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)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(guān)系。在鋰離子電池的全生命周期中，正負(fù)極及電解液等材料都將發(fā)生老化衰減。正極的老化衰減包含過渡金屬離溶解、晶體結(jié)構(gòu)變壞、活性物質(zhì)損失和鈍化膜形成等，會(huì)引起材料熱穩(wěn)定性的變化，使電池充電能力下降。負(fù)極的衰減老化現(xiàn)象同樣包含活性物質(zhì)損失，導(dǎo)致電池耐過充能力下降，同時(shí)也包含表面析鋰和SEI膜增厚，前者將導(dǎo)致材料熱穩(wěn)定性下降，促使電池產(chǎn)熱速度提高，后者將使電池?zé)岱€(wěn)定性增加，造成電池產(chǎn)熱起始溫度提高。電池電解液氧化分解，則將導(dǎo)致電池產(chǎn)生更大的內(nèi)壓，促使電池體積不斷膨脹。電池因?qū)щ妱┦А⒈砻驸g化膜增加等因素引起的內(nèi)阻增加問題的出現(xiàn)，將導(dǎo)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(tài)下的電池安全性演變研究在鋰離子全生命周期中，會(huì)發(fā)生不同的老化，主要分為循環(huán)老化和儲(chǔ)存老化，將導(dǎo)致電池發(fā)生不同的安全性演變。2.2.1循環(huán)老化電池的安全性演變?cè)谘h(huán)老化狀態(tài)下，電池可能在過充電和短路等測(cè)試中發(fā)生爆炸、火災(zāi)等情況，與電池的電濫用性能降低有關(guān)。因?yàn)樵诟邷鼗虺氐难h(huán)老化工況下，電池會(huì)因?yàn)閮?nèi)阻上升出現(xiàn)焦耳產(chǎn)熱增加的情況，導(dǎo)致電池發(fā)生熱失控。從研究結(jié)果來看，經(jīng)過循環(huán)老化，經(jīng)受擠壓、針刺等機(jī)械濫用，電池并不出現(xiàn)較大的安全性演變。但是在異常溫度沖擊下，電池?zé)岱€(wěn)定性會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致電池出現(xiàn)熱失控或自產(chǎn)熱問題。出現(xiàn)這種情況，與循環(huán)老化引起電池負(fù)極表面SEI膜的穩(wěn)定性變化有關(guān)，其在循環(huán)過程中不斷破裂，導(dǎo)致不穩(wěn)定的膜產(chǎn)生，將難以起到保護(hù)石墨極的作用，導(dǎo)致石墨極與電解液反應(yīng)，促使電池?zé)岱€(wěn)定性下降，在負(fù)極析出鋰。結(jié)合當(dāng)前研究進(jìn)展可知，低溫循環(huán)后進(jìn)行電池絕熱熱失控測(cè)試，在30~100℃，電池產(chǎn)熱速率迅速提高，會(huì)析出十分活波的鋰金屬，與電解液反應(yīng)，導(dǎo)致電池的安全性降低。在常溫循環(huán)測(cè)試下進(jìn)行電池絕熱熱失控測(cè)試，在達(dá)到600次循環(huán)時(shí)電池自產(chǎn)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(cè)試中經(jīng)過400次循環(huán)則會(huì)發(fā)生爆炸、著火情況。2.2.2儲(chǔ)存老化電池的安全性演變?cè)趦?chǔ)存老化工況下，電池在絕熱熱失控測(cè)試下會(huì)出現(xiàn)自產(chǎn)熱起始溫度提高的情況，產(chǎn)熱速率會(huì)隨之下降。在儲(chǔ)存時(shí)間增加的條件下，這兩個(gè)參數(shù)也會(huì)隨之增加。因此可以說明，經(jīng)過儲(chǔ)存，鋰離子電池耐熱濫用性能會(huì)隨之提升。在100%的SOC條件下，將電池在常溫或高溫狀態(tài)下儲(chǔ)存4h，電池容量將有所衰減，溫度越高衰減越大，在過充電測(cè)試中僅有儲(chǔ)存溫度達(dá)到90℃的電池會(huì)起火。在儲(chǔ)存老化至電池容量衰減為原本的33%~80%的條件下，擠壓測(cè)試中電池不會(huì)出現(xiàn)安全性問題。因此從當(dāng)前研究進(jìn)展來看，經(jīng)過儲(chǔ)存老化，鋰離子電池會(huì)因?yàn)樨?fù)極表面SEI膜穩(wěn)定而獲得更高的電池?zé)岱€(wěn)定性，不會(huì)出現(xiàn)SEI膜破裂的情況。因?yàn)樵趦?chǔ)存的過程中，電池中SEI膜的不穩(wěn)定將轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)，更好地為石墨負(fù)極提供保護(hù)。但是在儲(chǔ)存過程中，電池可能會(huì)因?yàn)闅怏w的產(chǎn)生而碰撞，導(dǎo)致電池安全性受到影響。此外，經(jīng)過儲(chǔ)存老化，電池內(nèi)阻會(huì)增加，在電濫用條件下同樣會(huì)出現(xiàn)焦耳產(chǎn)熱增加的情況，因此會(huì)導(dǎo)致電池的耐電濫用性能減弱。

3結(jié)論

鋰離子電池的生產(chǎn)、使用將經(jīng)歷較長(zhǎng)的全生命周期，整個(gè)過程都要加強(qiáng)安全檢測(cè)，保證電池的安全性，才能更好進(jìn)行鋰離子電池的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。從電池全生命周期安全性演變研究進(jìn)展來看，在循環(huán)使用和儲(chǔ)存老化的過程中，電池安全性降低主要是由電池濫用引發(fā)的，同時(shí)也會(huì)受到環(huán)境溫度的影響，導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生不可逆熱反應(yīng)，因此還應(yīng)加強(qiáng)實(shí)時(shí)檢測(cè)和安全管理，以免電池使用、儲(chǔ)存過程中發(fā)生安全事故。

參考文獻(xiàn)

[1]崔妍，付強(qiáng)，潘薇，等.動(dòng)力汽車用鋰離子電池全生命周期標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)研究分析[J].標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)，2016（12）：23-29.

作者：邵曉挺 馮浩 單位：合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院