鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:1758次 | 2019年07月29日
大容量磷酸鐵鋰電池組的安全性問題如何解決
大容量磷酸鐵鋰電池組的安全性問題如何解決?磷酸鐵鋰電池組的安全性問題,不僅與電池材料本身性質(zhì)有關(guān),而且與電池制備技術(shù)和使用有關(guān)。鋰電池儲存的總能量和其安全性是成反比的,隨著電池容量的增加,電池體積也在增加,其散熱性能變差,出事故的可能性將大幅增加。
大容量磷酸鐵鋰電池組的安全性問題如何解決?
鋰電池組需要從根本的原理技術(shù)上解決安全性問題。以往大家大多是從工藝上考慮提高電池的安全性,比如設(shè)計(jì)安全閥、避免短路、控制制造過程等,但這些工作只能說是盡量地減少安全事故,不可能完全避免事故??梢酝ㄟ^優(yōu)化磷酸鐵鋰電池的構(gòu)造及設(shè)計(jì)提升安全性。如選用熱穩(wěn)定性高的正極材料、耐燃電解液、鋰不析出的負(fù)極材料及高性能隔膜等。
選擇安全的正極材料,目前的正極有鈷酸鋰和錳酸鋰兩種量產(chǎn)的材料產(chǎn)品。鈷酸鋰在小電芯方面是很成熟的體系,由于鈷酸鋰在分子結(jié)構(gòu)方面(LiCo)的特點(diǎn):充滿電后,仍舊有大量的鋰離子留在正極,當(dāng)過充時,殘留在正極的鋰離子將會涌向負(fù)極,在負(fù)極上形成枝晶是采用鈷酸鋰材料的電池過充時必然的結(jié)果,甚至在正常充放電過程中,也有可能會有多余的鋰離子游離到負(fù)極形成枝晶。
選擇錳酸鋰材料,在分子結(jié)構(gòu)方面保證了在滿電狀態(tài),正極的鋰離子已經(jīng)完全嵌入到負(fù)極炭孔中,從根本上避免了枝晶的產(chǎn)生。同時錳酸鋰穩(wěn)固的結(jié)構(gòu),使其氧化性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鈷酸鋰,分解溫度超過鈷酸鋰100度,即使由于外力發(fā)生內(nèi)部短路(針刺),外部短路,過充電時,也完全能夠避免了由于析出金屬鋰引發(fā)燃燒、爆炸的危險。
選擇熱關(guān)閉性能好的隔膜,隔膜的作用是在隔離鋰電池組正負(fù)極的同時,允許鋰離子的通過。當(dāng)溫度升高時,在隔膜熔化前進(jìn)行關(guān)閉,從而使內(nèi)阻上升至2000歐姆,讓內(nèi)部反應(yīng)停止下來。
防爆閥:當(dāng)內(nèi)部壓力或溫度達(dá)到預(yù)置的標(biāo)準(zhǔn)時,防爆閥將打開,開始進(jìn)行卸壓,以防止內(nèi)部氣體積累過多,發(fā)生形變,最終導(dǎo)致殼體爆裂。
通常保護(hù)電路需起到防止過充電,過放電,超大電流的作用。主要原理是通過測量每一只電芯的電壓和總電流,控制開關(guān)電路進(jìn)行整個回路的關(guān)斷,在電路的設(shè)計(jì)上并沒有過高的難度。但保護(hù)電路的設(shè)計(jì)是否合理,可靠性是否足夠高,是考驗(yàn)生產(chǎn)廠商的能力。
總之,隨著材料技術(shù)的進(jìn)步和人們對磷酸鐵鋰電池組的設(shè)計(jì)、制造、檢測和使用諸方面要求的認(rèn)識不斷加深,未來的鋰離子電池會變得更安全。目前的鋰電池組安全測試和評估是在各種濫用條件下對成品電池進(jìn)行各種安全測試,并在這些條件下測試磷酸鐵鋰材料和磷酸鐵鋰電池的優(yōu)異安全性能。
四種鋰電池的安全性對比
鎳鈷錳酸鋰三元電池
在實(shí)際可用的理論比能量上有極大的提高,相對于與鈷酸鋰電池而言,可以更好的發(fā)揮高容量作用,但從材料上看,三元電池采用鎳鈷錳酸鋰和有機(jī)電解液,暫未從根本上解決安全性問題,如果電池發(fā)生短路講產(chǎn)生過大電流,從而引發(fā)安全隱患。
磷酸鐵鋰電池
理論容量是170mAh/g,做成材料的實(shí)際可達(dá)容量為160mAh/g。在安全性上,磷酸鐵鋰熱穩(wěn)定高,電解液氧化能力低,因而安全性高;但缺陷是電導(dǎo)率低,體積過大,電解液用量多,由于容量大,電池的一致性較差。
鈷酸鋰電池
在制備上的*特點(diǎn)是,在充滿電后,仍有大量的鋰離子留在正極,也就是說,在負(fù)極上容納不了更多的附在正極上的鋰離子,但在過充狀態(tài)下,正極上多余的鋰離子仍會向負(fù)極游動,因不能完全容納變回在負(fù)極上形成金屬鋰,由于金屬鋰是樹枝狀的晶體,因而被稱為枝晶,枝晶一旦形成,就會給刺穿隔膜提供機(jī)會,隔膜刺穿將形成內(nèi)部短路。由于電解液的主要成分是碳酸酯,閃點(diǎn)和沸點(diǎn)較低,在溫度較高的情況下就會燃燒甚至爆炸。控制鋰枝晶的形成在小容量鋰電池上比較容易,因此鈷酸鋰電池目前僅限于便攜式電子設(shè)備等小容量電池,不能用于動力電池。
錳酸鋰電池的材料具有一定的有點(diǎn),它可以保證在滿電狀態(tài)下,正極的鋰離子可以完全嵌入到負(fù)極炭孔中,而不是像鈷酸鋰那樣在正極有一定殘留,這就從根本上避免了枝晶的產(chǎn)生,總之,檢測合格的錳酸鋰電池一般不會發(fā)生安全事故,錳酸鋰穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)使其氧化性能遠(yuǎn)低于鈷酸鋰,即使外部短路,也基本能避免析出金屬鋰引發(fā)的燃燒和爆炸。
由于磷酸鐵鋰電池組的能量特性還是越來越受到人們的追捧,因此安全性問題,更需亟待解決和提高。鋰電池最重要的安全隱患來自于電解液,目前選擇的液態(tài)有機(jī)電解液易燃易爆。用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解液,是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的提升鋰電池安全性能最為有效的選擇。