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鋰離子電池安全性分析與預(yù)防方法

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:804次  |  2019年03月15日  

一、鋰離子電池的結(jié)構(gòu)與工作原理


所謂鋰離子電池是由兩個(gè)可嵌入與可脫嵌鋰離子的材料作為電池的正極與負(fù)極,實(shí)現(xiàn)可多次充放電功能的二次電池。鋰離子電池是依靠鋰離子在正負(fù)極之間的轉(zhuǎn)移來完成電池充放電工作。


鋰離子電池工作原理鋰電池充放電過程


當(dāng)電池充電時(shí),鋰離子脫離正極嵌入到負(fù)極中,放電時(shí)方向正好相反。這樣就需要正極在制作前就處于嵌鋰狀態(tài),常規(guī)會(huì)選用相對(duì)鋰而言電位大于3V且在空氣中穩(wěn)定的鋰化合物,如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiNi4Co4Mn2等化合物。


負(fù)極材料常規(guī)會(huì)選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰離子的物質(zhì),如石墨、碳纖維、石墨烯、鈦酸鋰等。

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符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

電解質(zhì)常規(guī)采用LiPF6的乙烯碳酸脂(EC)、丙烯碳酸脂(PC)和低粘度二乙基碳酸脂(DEC)等烷基碳酸脂搭配的混合溶劑體系。


隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它們復(fù)合膜,尤其是PP/PE/PP三層隔膜不僅熔點(diǎn)較低,而且具有較高的抗穿刺強(qiáng)度,起到了熱保險(xiǎn)作用。


外殼采用鋼或鋁材料,正極蓋體組件具有防爆斷電的安全保護(hù)功能。


鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖


相對(duì)于其他類型的電池產(chǎn)品,鋰電池具有重量輕、容量大、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),在數(shù)碼設(shè)備、小型電動(dòng)工具及大型儲(chǔ)能設(shè)備及新能源動(dòng)力電池都采用鋰離子電池作儲(chǔ)能裝置,鋰離子電池的能量密度高,容量是同重量的鎳氫電池的1.5~2倍,而且具有很低的自放電率;此外,鋰離子電池幾乎沒有“記憶效應(yīng)”及不含有毒物質(zhì)。

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標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測(cè)繪、無人設(shè)備

二、鋰電池設(shè)計(jì)時(shí)所采取的基本安全措施


根據(jù)鋰電池材料體系的不同,鋰電池充電時(shí)電壓高于鋰電池的極限電壓后,便開始產(chǎn)生副作用,過充電壓越高,危險(xiǎn)性也跟著越高。鋰電芯電壓高于極限電壓后,正極材料內(nèi)剩下的鋰離子數(shù)量不到一半,此時(shí)儲(chǔ)存格會(huì)垮掉,讓電池容量產(chǎn)生永久性的下降。如果繼續(xù)充電,由于負(fù)極的儲(chǔ)存格已經(jīng)裝滿了鋰離子,后續(xù)的鋰離子會(huì)堆積于負(fù)極材料表面長(zhǎng)出枝狀結(jié)晶,這些鋰結(jié)晶會(huì)刺穿隔膜,使正負(fù)極短路。有時(shí)在短路發(fā)生前電池就可能已經(jīng)爆炸,這是因?yàn)樵谶^充過程,電解液等材料會(huì)裂解產(chǎn)生氣體,使電池外殼或壓力閥鼓漲破裂,空氣中的氧氣與堆積在負(fù)極表面的鋰原子發(fā)生反應(yīng)爆炸。因此,鋰電池充電時(shí),一定要設(shè)定電壓上限,才可以同時(shí)兼顧到電池的壽命、容量和安全性。


鋰電芯放電時(shí)也要有電壓下限,當(dāng)電芯電壓低于極限電壓時(shí),部分材料會(huì)開始被破壞。同時(shí)因?yàn)殇囯姵乇旧頃?huì)自放電,放置時(shí)間越久電壓會(huì)越低。因此在設(shè)計(jì)鋰電池時(shí),放電截至電壓的設(shè)定會(huì)充分考慮這些因素,鋰電池從截止放電電壓到安全電壓這段期間,所釋放的能量只占電池容量的3%-5%左右。


充放電時(shí),除了電壓的限制,電流的限制也非常必要。電流過大時(shí),鋰離子來不及進(jìn)入儲(chǔ)存格,會(huì)聚集于材料表面。這些鋰離子獲得電子后,會(huì)在材料表面產(chǎn)生鋰原子結(jié)晶,這與過充一樣,會(huì)造成危險(xiǎn)性。


因此,對(duì)鋰離子電池的保護(hù),至少要包含:充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項(xiàng)。一般鋰電池組內(nèi),除了鋰電芯外,都會(huì)有一片保護(hù)板或者功能豐富的BMS電池管理系統(tǒng)。


三、電池可能的爆炸原因分析


鋰電芯爆炸的原因可能是外部短路、內(nèi)部短路及過充,包含電池組內(nèi)部絕緣設(shè)計(jì)不良等所引起的短路。


因此,對(duì)鋰離子電池的保護(hù),至少要包含:充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項(xiàng)。一般鋰電池組內(nèi),除了鋰電芯外,都會(huì)有一片保護(hù)板或者功能豐富的BMS電池管理系統(tǒng)。


內(nèi)部短路主要是因?yàn)榉智胁涣嫉你~箔與鋁箔的毛刺刺穿隔膜,或是由于過充原因形成的鋰枝狀結(jié)晶刺穿膈膜所造成。細(xì)小極片毛刺會(huì)造成微短路,因?yàn)槊毯芗?xì)有一定的電阻值,因此,電流不見得會(huì)很大。


銅、鋁箔毛刺是在生產(chǎn)過程中因?yàn)榉智胁涣荚斐?,可檢測(cè)到的現(xiàn)象是電芯自放電太快,大多數(shù)情況下可以在后端篩選時(shí)檢測(cè)出來。而且由于毛刺細(xì)小,有時(shí)會(huì)被燒斷,使得電池又恢復(fù)正常。因此,因毛刺微短路引發(fā)爆炸的機(jī)率并不高。


二次元影像儀


力朗電池(PLB)通過在線檢測(cè)設(shè)備“二次元影像觀測(cè)儀“可有效檢測(cè)極片毛刺情況,二次元影像儀能將圖像放大500倍,能清晰判斷毛刺情況。


內(nèi)部短路引發(fā)的爆炸,主要還是因?yàn)檫^充原因造成。因?yàn)?,過充后極片上到處都是鋰枝結(jié)晶,刺穿點(diǎn)到處都是,到處都發(fā)生微短路。因此,電池溫度會(huì)逐漸升高,最后高溫將電解液氣化。這種情形,不論是溫度過高使材料燃燒爆炸,還是外殼先被撐破,使空氣進(jìn)去與鋰金屬發(fā)生激烈氧化,都會(huì)爆炸。


綜合以上爆炸的類型,我們可以將防爆重點(diǎn)放在過充的防止、外部短路的防止及提升電芯安全性三方面。其中過充防止及外部短路防止屬于電子防護(hù),屬于電池組系統(tǒng)設(shè)計(jì)及電池組裝有較大關(guān)系;電芯安全性的提升重點(diǎn)是化學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)防護(hù),與電池芯的設(shè)計(jì)與制造過程品質(zhì)控制有較大關(guān)系。


四、設(shè)計(jì)規(guī)范涉及的幾個(gè)方面


電池保護(hù)板或BMS電池管理系統(tǒng)硬件冗余設(shè)計(jì),預(yù)防電子元器件失效而引起的整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)失效。電池管理系統(tǒng)如能對(duì)過充、過放、過流都分別提供兩道安全防護(hù),此外為了提升BMS系統(tǒng)的可靠性,力朗電池的BMS產(chǎn)品須經(jīng)過高溫老化處理,提供ESD、浪涌防護(hù)及防潮防塵這些基本功能。


在電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)中,BMS電池管理系統(tǒng)不擔(dān)要提過過充、過放、過流保護(hù)功能,還要對(duì)龐大的電池系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控與管理。為了保證電池工作在相同的溫度環(huán)境下,BMS還要監(jiān)控所有電芯的工作溫度,具備熱平衡功能,高效水冷電池模組可將電池工作溫度有效控制在25±2℃。此外為了提升車輛電池安全性,BMS集成落水監(jiān)測(cè)、煙霧監(jiān)測(cè)、碰撞監(jiān)測(cè)、翻車監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程報(bào)警及自動(dòng)滅火等安全功能。


鋰電芯在生產(chǎn)制造時(shí)會(huì)嚴(yán)格控制正極、負(fù)極、隔膜、電解液等主要原材料的品質(zhì),從電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到電芯生產(chǎn)制造整個(gè)過程,都須經(jīng)過嚴(yán)格的品質(zhì)控制與在線檢測(cè)監(jiān)控程序,來保證鋰電芯的高品質(zhì),通過嚴(yán)格的后端篩選與批次的破壞性檢驗(yàn),來保證每一顆出廠電芯的品質(zhì)都符合品質(zhì)要求,保證在過充、過放、過流、振動(dòng)、機(jī)械沖擊、跌落、擠壓、翻轉(zhuǎn)、碰撞、刺穿等情況下符合品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。


總之,電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),必須對(duì)過充、過放與過流分別提供兩道電子防護(hù)。其中保護(hù)板或BMS電池管理系統(tǒng)是第二道防護(hù),如果沒有外部保護(hù)的情況,電池發(fā)生爆炸就代表設(shè)計(jì)不良。


五、鋰電芯的品質(zhì)成為關(guān)鍵


如果外部保護(hù)失敗,對(duì)鋰電芯品質(zhì)提出更高的要求。電池如果在爆炸前,內(nèi)部有鋰原子堆積在材料表面,燃燒爆炸的威力會(huì)更大。所以鋰電芯抗過充能力比抗外部短路的能力顯得更為重要。


電芯抗外部短路的方法,通常包括使用高質(zhì)量的隔膜紙和采用壓力閥兩種措施。其中高質(zhì)量的隔膜效果最好,外部短路時(shí)超過百分之九十九的電池不會(huì)發(fā)生爆炸。力朗電池所生產(chǎn)的鋰電芯,每批次須經(jīng)過過充、過放、過流等檢測(cè)試驗(yàn),因?yàn)閭溆邢冗M(jìn)的設(shè)計(jì)理念及高度自動(dòng)化的生產(chǎn)制造能力,力朗電池的品質(zhì)檢測(cè)合格率目前達(dá)到100%。

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