一、鋰離子電池的組成及工作原理

鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、電解液、隔膜以及外部連接、包裝部件構(gòu)成。其中，正極、負(fù)極包含活性電極物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑等，均勻涂布于銅箔和鋁箔集流體上。

鋰離子電池的正極電位較高，常為嵌鋰過(guò)渡金屬氧化物，或者聚陰離子化合物，如鈷酸鋰、錳酸鋰、三元、磷酸鐵鋰等；鋰離子電池負(fù)極物質(zhì)通常為碳素材料，如石墨和非石墨化碳等；鋰離子電池電解液主要為非水溶液，由有機(jī)混合溶劑和鋰鹽構(gòu)成，其中溶劑多為碳酸之類有機(jī)溶劑，鋰鹽多為單價(jià)聚陰離子鋰鹽，如六氟磷酸鋰等；鋰離子電池隔膜多為聚乙烯、聚丙稀微孔膜，起到隔離正、負(fù)極物質(zhì)，防止電子通過(guò)引起短路，同時(shí)能讓電解液中離子通過(guò)的作用。

二、鋰離子電池的安全隱患

一般來(lái)說(shuō)，鋰離子電池出現(xiàn)安全問(wèn)題表現(xiàn)為燃燒甚至爆炸，出現(xiàn)這些問(wèn)題的根源在于電池內(nèi)部的熱失控，除此之外，一些外部因素，如過(guò)充、火源、擠壓、穿刺、短路等問(wèn)題也會(huì)導(dǎo)致安全性問(wèn)題。鋰離子電池在充放電過(guò)程中會(huì)發(fā)熱，如果產(chǎn)生的熱量超過(guò)了電池?zé)崃康暮纳⒛芰?，鋰離子電池就會(huì)過(guò)熱，電池材料就會(huì)發(fā)生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)和負(fù)極與粘合劑的反應(yīng)等破壞性的副反應(yīng)。

1、正極材料的安全隱患

當(dāng)鋰離子電池使用不當(dāng)時(shí)，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度的升高，使正極材料會(huì)發(fā)生活性物質(zhì)的分解和電解液的氧化。同時(shí)，這兩種反應(yīng)能夠產(chǎn)生大量的熱，從而造成電池溫度的進(jìn)一步上升。不同的脫鋰狀態(tài)對(duì)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。

2、負(fù)極材料的安全隱患

早期使用的負(fù)極材料是金屬鋰，組裝的電池在多次充放電后易產(chǎn)生鋰枝晶，進(jìn)而刺破隔膜，導(dǎo)致電池短路、漏液甚至發(fā)生爆炸。嵌鋰化合物能夠有效避免鋰枝晶的產(chǎn)生，大大提高鋰離子電池的安全性。隨著溫度的升高，嵌鋰狀態(tài)下的碳負(fù)極首先與電解液發(fā)生放熱反應(yīng)。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)大于與嵌鋰的中間相碳微球、碳纖維、焦碳等的反應(yīng)放熱速率。

3、隔膜與電解液的安全隱患

鋰離子電池的電解液為鋰鹽與有機(jī)溶劑的混合溶液，其中商用的鋰鹽為六氟磷酸鋰，該材料在高溫下易發(fā)生熱分解，并與微量的水以及有機(jī)溶劑之間進(jìn)行熱化學(xué)反應(yīng)，降低電解液的熱穩(wěn)定性。電解液有機(jī)溶劑為碳酸酯類，這類溶劑沸點(diǎn)、閃點(diǎn)較低，在高溫下容易與鋰鹽釋放PF5的反應(yīng)，易被氧化。

三、鋰離子電池安全性解決方案

針對(duì)鋰離子電池在材料、制造和使用過(guò)程中的諸多安全隱患，如何對(duì)容易產(chǎn)生安全問(wèn)題的部分進(jìn)行改進(jìn)，是鋰離子電池制造商需要解決的問(wèn)題。

1、提高電解液的安全性

電解液與正、負(fù)電極之間均存在很高的反應(yīng)活性，尤其在高溫下，為了提高電池的安全性，提高電解液的安全性是比較有效的方法之一。通過(guò)加入功能添加劑、使用新型鋰鹽以及使用新型溶劑可以有效解決電解液的安全隱患。

2、提高電極材料的安全性

磷酸鐵鋰以及三元復(fù)合材料被認(rèn)為是成本低廉、安全性優(yōu)良的正極材料，有可能在電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)中普及應(yīng)用。對(duì)于正極材料，提高其安全性的常見(jiàn)方法為包覆修飾，如用金屬氧化物對(duì)正極材料進(jìn)行表面包覆，可以阻止正極材料與電解液之間的直接接觸，抑制正極物質(zhì)發(fā)生相變，提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，降低晶格中陽(yáng)離子的無(wú)序性，以降低副反應(yīng)產(chǎn)熱。

3、改善電池的安全保護(hù)設(shè)計(jì)

除了提高電池材料的安全性，商品鋰離子電池采用的許多安全保護(hù)措施，如設(shè)置電池安全閥、熱溶保險(xiǎn)絲、串聯(lián)具有正溫度系數(shù)的部件、采用熱封閉隔膜、加載專用保護(hù)電路、專用電池管理系統(tǒng)等，也是增強(qiáng)安全性的手段。