怎么做可以让锂离子电池更安全可靠？
来源：宝鄂实业
2019-05-07 14:47
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近日，哥伦比亚大学一项研究表明，通过植入氮化硼（BN）纳米涂层，可稳定锂离子电池中的电解质，从而降低电池短路的风险。而且其研究称，用锂金属替代锂离子电池中的石墨阳极，还可以提高电池的能量密度。
该研究组织负责人表示，理论上锂金属的充电容量比石墨高10倍左右，所以若用锂金属替代锂离子电池中的石墨阳极，可以提高电池的能量密度。但电池在镀锂的过程中，容易产生锂枝晶，如果枝晶穿透电池中间的隔膜，就会造成电池短路，不过固体陶瓷电解质不易燃，还可抑制锂枝晶的生长，所以固体陶瓷电解质有较大使用潜质。
锂离子电池内部的液体电解质也高度易燃，存在短路、起火风险，但5至10纳米的氮化硼（BN）纳米膜即可用作保护层，从而隔绝金属锂和电解质之间的电接触，氮化硼（BN）纳米膜在化学上和机械上又对锂稳定，电子绝缘水平高，所以其可在较大程度上提高锂离子电池安全性。
安全问题对于锂离子电池而言的重要性不言而喻，锂离子电池在正式生产前都要经过严格的安全测试，确保极端使用情况下的安全性。然而锂离子电池实际上是一种亚稳态的体系，在使用的过程中由于电解液与正负极界面的副反应的存在，会导致寿命末期锂离子电池的热特性、电特性都发生显著的改变，因此锂离子电池的热稳定性也会必然会随着锂离子电池的老化而持续变化。虽然我们对锂离子电池热失控进行了大量的研究，但是主要还是集中在寿命初期的“新鲜”电池上，对于寿命末期的电池的热失控研究还相对比较少。
近日，日本长冈技术科学大学的Shuichi Taniguchi（第一作者）和Minoru Umeda（通讯作者）与日本航空航天局对高温老化对锂离子电池热稳定性的影响进行了深入的研究和分析。
实验中采用的电池为来自松下公司的CGR18650E电池，其正极为LiCoO2材料，负极为石墨材料，电池的额定容量为2550mAh，额定电压为3.7V。将电池调整到不同的SoC后按照下表所示的制度在80℃下进行存储老化试验，从表中能够看到100%SoC存储的C5电池老化程度要明显大于0%SoC存储的C1电池。
老化后的电池采用加速量热仪（ARC）对电池的热稳定性进行测试，测试主要分为三个步骤，首先是加热，ARC设备按照5℃的温度间隔进行升温，升高到某一温度后，进入到下一步：热平衡，这一过程大约持续30min，使得电池与环境达到热平衡，然后进入搜寻步骤，如果电池的升温速度超过0.05℃／min，则表明电池开始自发热模式，ARC启动绝热模式，如果电池的升温速度超过1℃／min，则表明电池进入到了热失控状态。
下图为表1所示的80℃高温老化后的电池在不同SoC状态的ARC测试结果，从下图a能够看到在0%SoC状态下，ARC测试中率先达到200℃的电池为C5，随后是C4和C3，然后是C2，最后是C1，表明在0%SoC状态下老化越严重的电池热稳定越差，同样我们在25%SoC状态下也观察到了这一现象，但是随着SoC进一步提高到50%、75%和100%后，热稳定性与电池的老化程度之间就没有明确的关系了。
为了进一步分析老化程度对电池热稳定性的影响，作者绘制了温升速率曲线图，从下图a中能够看到对于电池C4和C5热失控开始温度（温升速率>1℃／min）为170℃，电池C1、C2和C3热失控开始温度为180℃；在25%SoC状态C1-C5电池的热失控开始温度基本都在180℃，在50%SoC状态下，C5电池热失控开始温度为160℃，而其他电池的热失控开始温度则为175℃；75%SoC状态下，C5电池的热失控考试温度为170℃，其他电池为160℃；100%SoC状态下所有电池的热失控开始温度都在150℃左右。
从这里不难看出，电池的SoC状态对于电池的热稳定性影响最大，随着电池SoC状态的提高，电池的热失控开始温度显著降低。电池老化程度对热失控温度的影响主要取决于电池的SoC状态，0%SoC状态下老化程度大的电池热稳定性较差，在75%SoC状态下老化程度较大的电池反而热稳定性较高。
为了使得各个老化程度的电池的热失控温度、自发热温度的对比更加直观，作者将其画成了柱形图（如下图所示），其中蓝色部分为无自发热区域，黄色部分为自发热区域，红色部分为热失控区域。通过对比自发热和热失控区域的黄色和红色条的长度就能够直观的对比电池的热稳定性，红色和黄色区域越长则表明电池的热稳定性越差。
从上面的分析我们不难看出，对于电池安全性影响最大的还是电池的SoC状态，SoC状态越高，则电池的热稳定性越差，电池发生热失控的温度也就越低。电池老化程度对于电池安全性的影响较小，且关系不明显，在0%SoC状态下老化成程度大的电池热稳定性差，在75%SoC状态下反而是老化程度轻的电池热稳性比较差。
