如何将电池内的热管理工作从而避免热失控？
来源：宝鄂实业
2019-06-23 19:56
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烟雾、火灾甚至爆炸等常见的锂离子电池事故的根源大都来自于电池热量的“失控”。如何将电池内的热管理工作做好，为电池中的热量分子们戴上“紧箍咒”，已成为未来解决动力电池安全的必答题。
“锂离子电池安全与否，归根到底取决于电池能否避免热失控。”武汉大学教授艾新平介绍，在锂电池中，除了我们熟知的正常充放电反应外，还存在着潜在的负反应。
“温度越高，电池负反应的反应速度就越大，最终导致电池进入一个无法控制的自加温状态，也即热失控状态。它是导致电池发生爆炸和燃烧的主因。”艾新平进一步解释。
“采用不同的正极材料，锂离子电池的安全性就不同。”艾新平解释，这是由于正极在电池中所占的质量比是最大的，常规来说放热量也是最大，“因此正极材料的选择对电池的安全性影响非常大。”
三个层面进行热管理
“要提高电池的安全性，需从三个层面入手。一是材料层面，二是单体层面，第三个层面是系统层面。”艾新平介绍。
在材料层面，要重点提高材料和界面的热稳定性，降低其产热量；在单体层面，除优化电池热设计外，更重要的是发展热保护技术，如PTC电极、热关闭隔膜等；在系统层面，则需重点开展隔热设计，防止热扩展。
研究表明，在对电池系统的热分析中，磷酸铁锂的热稳定性从材料上来讲是最好的。“电池的安全性首先取决于自身材料的安全性。”上海交通大学特聘教授马紫峰指出，要增加电池的安全性，高能量的电池就可能需要在系统设计当中加入特定的保护装置，比如说冷却系统、防爆系统等。
在单体层面，除了常规的热安全设计外，更重要的是要建立单体自激发热保护。“让单体能根据自身感受的温度，调整自己的电流输出或功率输出。电池如果可以关闭反应，其产热也就终止了。”艾新平指出，PTC热敏电阻材料的一个重要特征就是温度升高到一定程度时，该材料就会从一个良好的导电态变成绝缘态，这将是单体热保护技术中的重要路径之一。
“除材料和单体的影响，系统也是电池安全性热管理中不可缺失的一环。“在系统中，对电池状态的估计非常重要，要用数学模型将其精确描述出来，并与电池的模型中的材料化学体系对应起来。”马紫峰表示。
“提高材料或界面的热稳定性，开发单体自激发热保护技术，以及系统热扩展防范技术，可有效改善电池系统的安全性，未来需加强研究。”艾新平表示，电池的安全性问题将伴随电池比能量提高而变得愈加严峻，但不应由此否定动力电池技术路线和发展趋势，正确面对并积极探索一些新的安全性技术，以促进电池技术进步。
锂电池电解液的主要成分：
电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、必要的添加剂等原料，在一定条件下、按一定比例配制而成的。锂电池电极液的主要成分有以下七种：
1.碳酸乙烯酯：分子式：C3H4O3，透明无色液体（>35℃），室温时为结晶固体，是聚丙烯腈、聚氯乙烯的良好溶剂。
2.碳酸丙烯酯，无色无气味，或淡黄色透明液体，溶于水和四氯化碳，与乙醚，丙酮，苯等混溶。本品应储存于阴凉、通风、干燥处，远离火源，按一般低毒化学品规定储运。
3.碳酸二乙酯，无色液体，稍有气味；蒸汽压1.33kPa/23.8℃；闪点25℃（可燃液体能挥发变成蒸气，跑入空气中。
4.碳酸二甲酯，是一种无毒、环保性能优异、用途广泛的化工原料；同时具有较高的蒸发温度和较快的蒸发速度。
5.碳酸甲乙酯，无色透明液体，是近年来兴起的高科技、高附加值的化工产品，一种优良的锂离子电池电解液的溶剂，本品应储存于阴凉、通风、干燥处，按易燃化学品规定储运。
6.六氟磷酸锂，白色结晶或粉末，潮解性强；暴露空气中或加热时分解，暴露空气中或加热时六氟磷酸锂在空气中由于水蒸气的作用而迅速分解，放出PF5而产生白色烟雾。
7.五氟化磷，是磷卤化合物。五氟化磷在常温常压下为无色恶臭气体，其对皮肤、眼睛、粘膜有强烈刺激性。五氟化磷被用作聚合反应的催化剂。
锂电池电解液如何影响电池质量？
为了确定电解液对锂电池的影响，研究团队利用LiTFSI和LiFSI做相关实验，LiTFSI和LiFSI是非常相似的两种电解液，仅仅是LiFSI比LiTFSI含有更少的碳和氟。他们利用环境分子实验室里的设备不断地测试电池充放电的能量，最后对电极做了调查分析。
他们发现用LiTFSI做电解液的锂硫电池当中，锂原子被硫原子束缚，在电极表面形成硫化锂（LiSx）。而用LiFSI做电解液时，则形成硫酸锂（LiSOx）。通过计算两种锂的化合物的结合紧密度，他们发现锂硫化物容易破裂释放锂。然而，硫酸锂是很难分开的，因此硫酸锂当中的氧元素是罪魁祸首。
通过将宏观的成分分析与模拟相结合，我们可以看到哪些键容易破碎，如果化学键发生断裂，会发生什么。"正在国家实验室领导这项研究的Ji-Guang（Jason）Zhang博士说到，"这个过程让我们识别电解质的行为，引导我们设计更好的电解质，提高锂硫电池的循环寿命。
锂电池电解液成份优势是什么？
a.高的离子电导率，一般应达到1x10-3~2x10-2S/cm;
b.高的热稳定性和化学稳定性，在较宽的电压范围内不发生分离；
c.较宽的电化学窗口，在较宽的电压范围内保持电化学性能的稳定；
d.与电池其他部分例如电极材料、电极集流体和隔膜等具有良好的相容性；
e.安全、无毒、无污染性。
以上就是锂电池电解液成分详细介绍，目前商用锂电池所用的电解液大部分采用LiPF6的EC/DMC，它具有较高的离子导电率与较好的电化学稳定性。总的来说，锂电池电解液的作用是非常大的，而且它的发展前景也是非常广阔的。
锂离子电池具有电压高、比能量高、循环使用次数多、存储时间长等优点，不仅在便携式电子设备上得到广泛应用，而且也广泛应用于电动汽车、电动自行车以及电动工具等大中型电动设备方面，尤其是其中的锂离子动力电池是目前各大电池厂家发展的主要方向。
现有锂离子动力电池发展的一大技术问题就是锂离子电池封口问题，在锂离子动力电池的使用过程中，电池封口是影响电池长期性能和安全性能的一个关键因素，如果锂离子动力电池封口不严密，在使用过程电池充放电使电池内部发热，电液在温度影响下快速挥发，电液容易枯竭，导致电池内阻迅速增大，电池容量快速降低，造成电池失效，在一些极端的情况下，电池电液外泄，在遇见明火时容易起火爆炸，造成安全威胁。
目前，随着动力电池的发展，电动汽车技术的成熟和日益完善，市场对大容量动力电池的需求越来越大。传统电池的封口方式为砸钢球方法，钢壳电池的封口方式为机械密封。随着电池容量的增加，电池所要注入的电解液量越来越多，但是传统砸钢球的封口方式对注液孔的大小有限制，造成注液效率太低，而钢壳电池的机械密封方式可靠性太低。因此，目前大容量的锂离子动力电池多采用直径大的注液孔封口方式，目前针对大容量锂离子动力电池的封口方式主要是采用螺母固定的方法，这种方法的缺陷就是密封性差，容易造成电池漏液，严重影响到锂离子动力电池的使用性能和安全性。
因此，锂电自动化生产线可实现在超级净化手套箱内进行全自动扫码-注液-称量-补液-封口操作，实现高效完全无人自动化生产，大大节省人力成本，极大提高产能和产品质量及成品率，为客户实现利益最大化。锂电自动化生产线，可以保证对锂离子动力电池的注液效率和注液孔的密封性，避免电池漏液，有效保证锂离子动力电池的使用性能和安全性。
