锂电池有哪些优势？锂电池安全吗

锂是自然界最轻的金属，比重仅及水的1/2，所以锂离子电池的质量比很高。一般是镉-镍电池的2~3倍、氢-镍电池的1~2倍。锂原子/离子半径较小，体积比氢-镍电池小30%，它的体积比能量也很高。一般是镉-镍电池的2倍、氢-镍电池的1.5倍。锂又具有最低的电负性，标准电极电位为-3.045V（以氢电极为参比而言）。所以，只要找到合适的正极材料，就可获得较高的电动势，目前它的工作电压为3~4伏，是镉-镍、氢-镍电池的3倍。与大部分化学电源采用水溶液作电解液不同，锂离子电池采用有机溶剂作电解液。因此，锂离子电池往往具有宽广的适用范围，一般20℃~60℃，尤其适合低温使用。而水溶液电池在接近0℃时，即因电解液凝固而完全报废。锂离子电池不含重金属元素（比如：铅酸电池中的Pb）和有毒元素（比如：镉-镍电池中的Ge），不会环境造成污染，因而被称为绿色电池。锂离子电池的放电电压平坦，无记忆效应，自放电小，循环寿命长，也是它强有力的优势。

 

3 锂电池的安全隐患

 

安全性能是锂离子电池，特别是锂离子动力电池所关心的焦点问题。锂离子电池与金属锂二次电池相比，在安全性能方面有了很大的提高，但在实际应用中仍然存在许多隐患。特别是用于电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV）的动力锂离子电池，其充放电电流大，散热条件差，导致电池内部温度升高。研究证明：锂离子电池在滥用的条件下有可能达到使铝集流体熔化的高温（＞700℃），从而导致电池出现冒烟、着火爆炸、乃至人员受伤等情况。因此，锂离子电池安全性能方面的研究，对扩大锂离子电池的商品化程度，保证使用过程中人员的安全是非常重要的。本文从锂离子电池材料和制作工艺两个方面分析影响锂离子电池安全性能的因素，并进一步分析锂离子电池组安全性的关键问题。

 

3.1 电池材料本身的安全性

 

电池材料对锂离子电池安全性能的影响对锂离子电池的安全保护通常采用专门的充电电路来控制充电过程，防止电池过充放，并在电池上设置安全阀和热敏电阻这些方法都是在使用过程中通过外部手段来达到对电池的安全保护，防止滥用造成的安全问题，然而要从根本上解决锂离子电池的安全问题，还要从电池材料本身的安全性能出发。

 

 3.2 材料对锂离子动力电池安全性的影响

 

一般而言，电池材料的热稳定性是锂离子动力电池安全性的重要因素。这主要与电池材料的热活性有关。当电池温度升高时，电池内部会发生许多放热反应，如果产生的热量超过了热量的散失，就会发生热溢溃。锂离子电池材料之间主要放热反应有：SEI膜的分解；电解液分解；正极分解；负极与电解液的反应；负极与粘合剂的反应；此外，由于电池存在电阻，使用时也产生少量热量。

 

3.2.1 正极材料

 

锂离子电池正极材料一直是限制锂离子电池发展的关键。和负极材料相比，正极材料能量密度和功率密度低，并且也是引发锂离子电池安全隐患的主要原因。正负极材料的结构对锂离子的嵌入和脱嵌有决定性影响，因而影响着电池的循环寿命。使用容易脱嵌的活性材料，充放电循环时，活性材料的结构变化小且可逆，有利于延长电池的寿命。在锂离子电池滥用的条件下，随着电池内部温度的升高，正极发生活性物质的分解和电解液的氧化，这两种反应将产生大量的热，从而导致电池温度的进一步上升，同时不同的脱锂状态对活性物质晶格转变、分解温度和电池的热稳定性影响相差很大。寻找热稳定性较好的正极材料是锂离子动力电池的关键。层状LiCoO2、LiNiO2、尖晶石LiMn2O4和橄榄石LiFePO4是目前研究较多的正极材料。LiCoO2热稳定性适中，电化学性能优异，但由于钴资源的限制，LiCoO2在锂离子动力电池方面的应用受到限制；LiNiO2虽然容量较高，但合成困难、循环性能较差，也不适合作为锂离子动力电池的正极材料；LiMn2O4热稳定性好、资源丰富、价格低廉，适合作为锂离子动力电池的正极材料；LiFePO4由于合成原料资源丰富，成本低，对环境无污染，又有较高的比容量、有效利用率、适宜的电压及较好的循环性能，是一种有应用前景的锂离子正极材料之一。

 

3.2.2 负极材料

 

早期使用的负极材料是金属锂，而以金属锂为负极组装的电池在多次充放电过程中易产生锂枝晶，锂枝晶会刺破隔膜，导致电池短路、漏液甚至发生爆炸。使用嵌锂化合物避免了锂枝晶的产生，从而大大提高了锂离子电池的安全性。目前在锂离子二次电池中较具使用价值和应用前景的碳主要有三种：一是高度石墨化得碳，二是软碳和硬碳，三是碳纳米材料。

 

当前锂离子电池所用的负极材料大部分采用石墨，而石墨的理论适量比容量只有372mAh/g，体积比容量也只有800mAh/cm3。尽管目前研制出的医学热解碳具有700mAh/g的比容量，但是它的体积比容量还是非常有限。由于大功率的需要，高能量密度的金属和金属化合物妒忌材料引起了广泛关注，研究主要向微小颗粒(纳米级)、单相向多相、掺杂非活性材料等方面发展。金属和合金类负极在循环过程中，体积会发生很大的变化，循环寿命短。为延长寿命，采用金属学上的近似法开发控制合金材料的组成和微观组织(纳米级)及表面处理技术。