为什么锂电池会有安全性问题？有哪些解决方案？
来源：宝鄂实业
2019-07-19 14:30
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1、内部短路是如何形成的：锂离子电池的最大的隐患是应用钴酸锂的锂离子电池在过充的情况下（甚至正常充放电时），锂离子在负极堆积形成枝晶，刺穿隔膜，形成内部短路。
2、产生大电流：外部短路，内部短路将产生几百安培的过大电流
i. 外部短路时，由于外部负载过低，电池瞬间大电流放电。在内阻上消耗大量能量，产生巨大热量。
ii.内部短路，主要原因是隔膜被穿透，内部形成大电流，温度上升导致隔膜熔化，短路面积扩大，进而形成恶性循环
3、气体是哪里来的：锂离子电池为达到单只电芯3 － 4.2V 的高工作电压（镍氢和镍硌电池工作电压为1.2V ，铅酸电池工作电压为 2V ），必须采取分解电压大于2V 的有机电解液，而采用有机电解液在大电流，高温的条件下会被电解，电解产生气体，导致内部压力升高，严重会冲破壳体
4、燃烧是如何发生的：热量来源于大电流，同时在高电压（超过 5V ）情况下，正极锂的氧化物也会发生氧化反应，析出金属锂，在气体导致壳体破裂的情况下，与空气直接接触，导致燃烧，同时引燃电解液，发生强烈火焰，气体急速膨胀，发生爆炸。
5、聚合物电池是否会有安全性问题：聚合物电池与锂离子电池的区别在于电解液为胶状、半固态，锂离子电池电解液为液态。所以，聚合物电池可以使用软包装，在内部产生气体时，可以更早的突破壳体，避免气体聚集过多，产生激烈涨裂。但聚合物电池并没有从根本上解决安全性问题，同样使用钴酸锂和有机电解液，而且电解液为胶状，不易泄漏，将会发生更猛烈的燃烧，燃烧是聚合物电池安全性最大的问题。 1、正极材料的安全隐患
当锂离子电池使用不当时，导致电池内部温度的升高，使正极材料会发生活性物质的分解和电解液的氧化。同时，这两种反应能够产生大量的热，从而造成电池温度的进一步上升。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。
2、负极材料的安全隐患
早期使用的负极材料是金属锂，组装的电池在多次充放电后易产生锂枝晶，进而刺破隔膜，导致电池短路、漏液甚至发生爆炸。嵌锂化合物能够有效避免锂枝晶的产生，大大提高锂离子电池的安全性。
随着温度的升高，嵌锂状态下的碳负极首先与电解液发生放热反应。相同的充放电条件下，电解液与嵌锂人造石墨反应的放热速率远大于与嵌锂的中间相碳微球、碳纤维、焦碳等的反应放热速率。
3、隔膜与电解液的安全隐患
锂离子电池的电解液为锂盐与有机溶剂的混合溶液，其中商用的锂盐为六氟磷酸锂，该材料在高温下易发生热分解，并与微量的水以及有机溶剂之间进行热化学反应，降低电解液的热稳定性。电解液有机溶剂为碳酸酯类，这类溶剂沸点、闪点较低，在高温下容易与锂盐释放PF5的反应，易被氧化。
4、制造工艺中的安全隐患
锂离子电池在制造过程中，电极制造、电池装配等过程都会对电池的安全性产生影响。如正极和负极混料、涂布、辊压、裁片或冲切、组装、加注电解液的量、封口、化成等诸道工序的质量控制，无一不影响电池的性能和安全性。
浆料的均匀度决定了活性物质在电极上分布的均匀性，从而影响电池的安全性。浆料细度太大，电池充放电时会出现负极材料膨胀与收缩比较大的变化，可能出现金属锂的析出；浆料细度太小会导致电池内阻过大。涂布加热温度过低或烘干时间不足会使溶剂残留，粘结剂部分溶解，造成部分活性物质容易剥离；温度过高可能造成粘结剂炭化，活性物质脱落造成电池内部短路。
锂离子电池的安全性问题，并不是外围问题，而是一个基于材料技术的本质问题。
在材料技术上取得突破：
1、 选择安全的正极材料，目前的正极有钴酸锂和锰酸锂两种量产的材料产品。钴酸锂在小电芯方面是很成熟的体系，由于钴酸锂在分子结构方面（ LiCo ）的特点：充满电后，仍旧有大量的锂离子留在正极，当过充时，残留在正极的锂离子将会涌向负极，在负极上形成枝晶是采用钴酸锂材料的电池过充时必然的结果，甚至在正常充放电过程中，也有可能会有多余的锂离子游离到负极形成枝晶。所以手机电池频频发生爆炸事件，一方面是由于保护电路失效，但更重要的是在材料方面并没有根本的解决问题。同时钴酸锂的氧化性强，在 175 度时就会分解，壳体泄漏，与空气接触，发生燃烧、爆炸。
2、 选择锰酸锂材料，在分子结构方面保证了在满电状态，正极的锂离子已经完全嵌入到负极炭孔中，从根本上避免了枝晶的产生。同时锰酸锂稳固的结构，使其氧化性能远远低于钴酸锂，分解温度超过钴酸锂 100 度，即使由于外力发生内部短路（针刺），外部短路，过充电时，也完全能够避免了由于析出金属锂引发燃烧、爆炸的危险。
3、 选择热关闭性能好的隔膜，隔膜的作用是在隔离电池正负极的同时，允许锂离子的通过。当温度升高时，在隔膜熔化前进行关闭，从而使内阻上升至 2000 欧姆，让内部反应停止下来。
4、 防爆阀：当内部压力或温度达到预置的标准时，防爆阀将打开，开始进行卸压，以防止内部气体积累过多，发生形变，最终导致壳体爆裂。
5、 保护电路：通常保护电路需起到防止过充电，过放电，超大电流的作用。主要原理是通过测量每一只电芯的电压和总电流，控制开关电路进行整个回路的关断，在电路的设计上并没有过高的难度。但保护电路的设计是否合理，可靠性是否足够高，是考验生产厂商的能力。保护电路是基于大约数十个个电阻、电容，开关 MOS 管等电子元器件组成的 PCB 电路，各个元器件都存在失效的可能性。失效的保护电路会出现开路或导通两种状态，当开路时会导致用户不能使用电池组，而导通的状态将会考验电芯抗过充的能力。
