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如何給鋰離子電池“熱失控”裝上剎車！
閱讀：2475 發(fā)布時(shí)間：2018-4-2熱失控是鋰離子電池使用中zui為嚴(yán)重的安全事故，熱失控往往是由于鋰離子電池在發(fā)生了擠壓變形,、穿刺或者高溫炙烤等導(dǎo)致隔膜被破壞引發(fā)正負(fù)極短路，或者由于電池外部短路,，導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部短時(shí)間內(nèi)積累了大量熱量,，引發(fā)正負(fù)極活性物質(zhì)和電解液等發(fā)生分解,，導(dǎo)致鋰離子電池起火和爆炸，嚴(yán)重威脅使用者的生命和財(cái)產(chǎn)安全,。因此在鋰離子電池安全測試中一般都會(huì)要求鋰離子電池通過過充,、過放、短路和擠壓,、針刺等實(shí)驗(yàn),，但是隨著動(dòng)力電池能量密度和電池容量的不斷提升，電池通過針刺實(shí)驗(yàn)變得越來越困難,，因此在工信部發(fā)布的《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池安全要求》中規(guī)定針刺實(shí)驗(yàn)暫不執(zhí)行,。但是新版的要求只是對(duì)針刺實(shí)驗(yàn)暫不執(zhí)行，后續(xù)是否會(huì)恢復(fù)還未可知,，如果廠家實(shí)現(xiàn)了大容量,、高能量密度的動(dòng)力電池順利通過針刺實(shí)驗(yàn)，那么必將在競爭中取得顯著的優(yōu)勢,。今天我們就來談一談那些給鋰離子電池?zé)崾Э匮b上“剎車”的技術(shù),。
1.電解液阻燃劑
電解液阻燃劑是一種非常有效的減少電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)的方法,，但是這些阻燃劑往往會(huì)對(duì)鋰離子電池的電化學(xué)性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,，因此難以在實(shí)際中應(yīng)用。為了解決這一問題,，美國加州大學(xué)圣迭戈分校的Yu Qiao團(tuán)隊(duì)【1】采用膠囊封裝的方式將阻燃劑DBA（二芐胺）儲(chǔ)存在微型膠囊的內(nèi)部,，分散在電解液中，在平時(shí)不會(huì)對(duì)鋰離子電池的電性能產(chǎn)生影響,，但是當(dāng)電池受到擠壓等外力破壞時(shí),，這些膠囊中的阻燃劑就會(huì)釋放出來，對(duì)電池進(jìn)行“毒化”引起電池失效,，從而避免熱失控的發(fā)生,。2018年Yu Qiao團(tuán)隊(duì)【2】再次利用了上述技術(shù)，采用了乙二醇和乙二胺作為阻燃劑,，封裝后裝入鋰離子電池內(nèi)部使得鋰離子電池在針刺實(shí)驗(yàn)中zui高溫度下降了70%,，顯著降低了鋰離子電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險(xiǎn)。
上面提到的方法都是自毀式的,，也就是說該阻燃劑一旦發(fā)生作用,，整個(gè)鋰離子電池就要報(bào)廢了，而日本東京大學(xué)的Atsuo Yamada團(tuán)隊(duì)【3】開發(fā)了一種不會(huì)影響鋰離子電池性能的阻燃電解液,，該電解液采用了高濃度的NaN(SO2F)2(NaFSA) or LiN(SO2F)2 (LiFSA)作為鋰鹽,，同時(shí)向其中添加了常見的阻燃劑磷酸*酯TMP，顯著提高了鋰離子電池的熱穩(wěn)定性,，更厲害的是阻燃劑的添加并沒有對(duì)鋰離子電池循環(huán)性能產(chǎn)生影響,，采用該電解液的電池能夠穩(wěn)定循環(huán)1000次以上（C/5循環(huán)1200次,，容量保持率95%）。
通過添加劑使得鋰離子電池具有阻燃特性是避免鋰離子電池發(fā)生熱失控的其中一種途徑,，也有人另辟蹊徑,，試圖從根源上避免外力導(dǎo)致的鋰離子電池內(nèi)短路的發(fā)生，從而達(dá)到釜底抽薪的目的,，*杜絕熱失控的發(fā)生,。針對(duì)動(dòng)力電池在使用中可能面臨暴力沖擊的情況，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的Gabriel M. Veith設(shè)計(jì)了一種具有剪切增稠特性的電解液【4】,，該電解液利用了非牛頓流體的特性,，在正常狀態(tài)下，電解液呈現(xiàn)的是液體狀態(tài),，但是在遭遇突然的沖擊時(shí)則會(huì)呈現(xiàn)固體狀態(tài),，變得異常堅(jiān)固，甚至能夠達(dá)到防彈的效果,，從根源上避免了在動(dòng)力電池發(fā)生碰撞時(shí)電池內(nèi)短路導(dǎo)致熱失控的風(fēng)險(xiǎn),。
2.電池結(jié)構(gòu)
接下我們來從電池單體層面上看看如何給熱失控踩下剎車，目前鋰離子電池在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都對(duì)熱失控的問題進(jìn)行了考慮,，例如在18650電池的上蓋中一般都會(huì)有泄壓閥,，在熱失控時(shí)能夠及時(shí)將電池內(nèi)部過高的壓力進(jìn)行釋放，其次電池上蓋中會(huì)有正溫度系數(shù)材料PTC,，在熱失控溫度上升時(shí)PTC材料的電阻顯著增大,，以減少電流減少產(chǎn)熱。此外,，在單體電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮正負(fù)極之間的防短路設(shè)計(jì),，避免因?yàn)檎`操作、金屬多余物等因素導(dǎo)致電池發(fā)生外短路,，引起安全事故,。
其次在電芯設(shè)計(jì)時(shí)，需要采用更加安全的隔膜,，例如在高溫下自動(dòng)閉孔的三層復(fù)合隔膜,，但是近年來隨著電池能量密度的不斷提升、隔膜薄型化的趨勢下三層復(fù)合隔膜已經(jīng)逐漸被淘汰,，取而代之的陶瓷涂層隔膜,，陶瓷涂層能夠?qū)Ω裟て鸬街巫饔茫瑴p少隔膜在高溫下的收縮,，提高鋰離子電池的熱穩(wěn)定性,，減少鋰離子電池發(fā)生熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。
3.電池組熱安全設(shè)計(jì)
動(dòng)力電池在使用中往往都是由數(shù)十只,、數(shù)百只甚至是數(shù)千只電池通過串并聯(lián)組成,，例如特斯拉的Model S的電池組中就由多達(dá)7000只以上的18650組成,，如果其中的一只電池發(fā)生熱失控，就可能會(huì)在電池組內(nèi)蔓延,，引起嚴(yán)重的后果,。例如，2013年1月發(fā)生在美國波士頓的一架日本航空公司的波音787客機(jī)鋰離子電池起火事件,，根據(jù)美國國家運(yùn)輸安全委員會(huì)的調(diào)查,，就是由于電池組中的一只7h方形鋰離子電池發(fā)生熱失控后引發(fā)了相鄰的電池?zé)崾Э兀@次事件后波音公司要求在所有的電池組上都要增加防止熱失控?cái)U(kuò)散的措施,。
為了避免熱失控在鋰離子電池內(nèi)部蔓延,，美國Allcell Technology公司開發(fā)了一款基于相變材料的鋰離子電池?zé)崾Э馗綦x材料PCC【5】。PCC材料填充在單體鋰離子電池之間,，在鋰離子電池組正常工作的情況下,，電池組產(chǎn)生的熱量可以通過PCC材料快速傳遞到電池組外，在鋰離子電池發(fā)生熱失控時(shí),，PCC材料可以通過其內(nèi)部的石蠟材料熔化吸收大量的熱量,，阻止電池溫度進(jìn)一步上升，從而避免熱失控在電池組內(nèi)部擴(kuò)散,。在針刺實(shí)驗(yàn)中,，一個(gè)由18650電池組成的4并10串的電池組，沒有使用PCC材料時(shí),，一只電池?zé)崾Э貁ui終引發(fā)了電池組中20只電池發(fā)生熱失控,，而采用PCC材料的電池組中,，一只電池?zé)崾Э夭⑽匆l(fā)其他電池組熱失控,。
鋰離子電池?zé)崾Э厥俏覀儂ui不愿意看到、極力避免的鋰離子電池安全事故,，提高鋰離子電池的安全性,、避免熱失控的發(fā)生需要從電池配方設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電池組的熱管理設(shè)計(jì)上多管齊下,，共同提高鋰離子電池?zé)岱€(wěn)定性,，減少熱失控發(fā)生的可能性。