那么什么样的锂电池是安全的锂电池？
来源：宝鄂实业
2019-05-21 11:33
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1 动力锂电池的基本组成
以圆柱形电池为例，如上图所示，锂电池的主要结构包括壳体，正极，负极，隔膜，电解液，安全阀等安全保护装置以及一些导电密封辅助结构。
壳体，是整只电芯的保护层，对电芯起到支撑、隔离和绝缘等保护性作用。软包电池，没有高强度的壳体，其在小规模成组以后，也要设计具备一定强度的壳。
直接参与电池电化学过程的是正极、负极和电解液，可以说它们是事故的源头，也是真正解决安全问题的病根所在。
2 正极、负极和电解液的安全性问题
锂电池的安全事故，无论是电芯老化或者自身质量问题带来的自内而外的过热，进而导致热失控，还是由于交通事故或者其他类型的滥用造成的热失控，事故发生总要经历电芯材料剧烈反应的过程，如果能够阻断这个点，则电池可以失效，但永远不会燃爆。
2.1 电解液
电解液存在两个方向的问题，自身容易燃烧，又具有与正负极材料发生反应的倾向。
初中化学告诉我们，燃烧的三要素：可燃物（燃烧的物质），助燃物（氧气）和燃点（达到可燃物的燃烧温度）。三个条件缺一不可，阻断其中之一，燃烧便不会发生。电池自身安全性，电池材料不可燃是安全隐患的终结者。
目前常见的电解液都是有机溶剂质地，是极易燃烧的材质。而电解液与正极发生副反应的产物，就包含氧气。因此，电池一旦积聚了较多热量，达到较高温度，连锁反应都会给电解液燃烧提供条件。
问题在于，电解液传输电荷的能力，对电池的电压有直接的影响。当前人们对于高电压，高能量密度的追求，只有有机电解液才能满足，因而暂时没有找到更适合的材质作为替代。
2.2 正极材料
正极材料的安全性问题主要存在于两个方面。一个是充电状态下，材料结构的稳定性，另一个是电池高温下，正极材料与电解液的反应腐蚀问题。
正极材料的稳定性问题，主要出现在过大电流充电过程中，与材料不匹配的锂离子脱出速率会冲垮材料晶格结构，毁坏的部分材料反过来堵住离子通路，增加了离子嵌入难度。这个过程中会有热量积累，是引发锂电池事故的一种常见原因。
正极被电解液腐蚀，放出少量气体和热量，这是电池使用过程中老化的一个重要原因。但正极与电解液的剧烈反应，一般出现在电池温度已高的阶段，一般超过200℃，是热量爆发式生成的重要力量。反应不但放出大量的热，还会有气体产生，使得事故的危害可能升级。
2.3 负极材料
负极材料的安全性，主要围绕其热稳定性进行观察，其稳定程度与下面三个因素有关：电解液中电解质的类型，石墨负极中嵌锂碳含量的多少以及石墨负极使用的粘结剂的种类。
电解质类型，石墨负极在首次充电化成中，形成保护膜SEI膜。SEI膜的存在，阻止了石墨与电解液的进一步剧烈反应。但电解液中的LiPF6对SEI膜的分解有促进作用，使得锂电池在大约60℃的储存过程中，就可以出现分解并放热。因此电解质的成分对负极稳定性有直接影响。
嵌锂碳，有研究表明，负极中嵌锂碳的含量高，会带来负极与电解液更激烈的反应。嵌锂碳是在充电过程中形成，电池电量越高，其嵌锂碳的含量也就越高。嵌锂碳的影响，只能在电量高的阶段加强其他安全措施，却无法避免高浓度嵌锂碳的现象出现。
负极粘结剂的种类，粘结剂在反应中是否增加系统反应放热并没有定论。不同类型的粘结剂，参与反应的形式不同，有的成为嵌锂碳反应的助剂，有的自身参与反应后失效，加速负极结构走向崩溃。
以上三个方面的影响，发生的温度由低到高，SEI膜的溶解，作为破坏式连锁反应的开端，阻止它发生意义重大。
3 安全性能的改进方向
3.1电解液
阻燃剂
在原来电解液的基础上加入阻燃剂，具备可行性，只是特别适当的阻燃剂还没有被发现。佛化物阻燃效果较好，但成本高；烷基磷酸酯，加入电解液后，降低了导电率，阻燃效果也一般，因而不能算是好的选择；氮化物阻燃效果不明显，且具毒性，基本不可行。阻燃剂是比较现实的技术路线，只是还需要时间和人力的投入。
固体电解质
聚合物电解质，是真正的固态电解质和电解液之间的中间形态，是干态聚合物电解质和电解液的并存状态。但聚合物电解质在安全性上，比之电解液已经有很大提高，在漏液和燃烧性方面都有进步。
在新闻中看到，某公司发明了不燃烧电解液。如果果然如宣传的那样，将是革命性的成果。
选择恰当的电解质
通过对电解盐类型的选择，减少SEI膜溶解的几率。
3.2 正负极材料
从改善材料热稳定性的角度出发，选择分子结构更稳定的材质。负极，对于碳材料来说，球状结构比层状结构稳定性好；跨越种类，尖晶石结构的钛酸锂又比全部石墨材质的负极稳定性好。2.3中所述的各种安全问题，钛酸锂都不存在，是当前负极材料中最安全的一种。
正极材料的可选择范围并不大，钴酸锂，由于稳定性差，使用的范围已经越来越小。动力电池主流的三种正极材料，磷酸铁锂、锰酸锂和三元材料。从安全性角度考虑，磷酸铁锂的安全性最好，锰酸锂次之，三元相对较差。
