磷酸鐵鋰電池安全性及熱失控如何預(yù)防

來源：存能電氣  日期：2019-05-09 09:18  瀏覽量：次

　　磷酸鐵鋰電池安全性及熱失控如何預(yù)防？對于鋰電池，熱失控是最嚴(yán)重的安全事故。炸業(yè)內(nèi)常說的磷酸鐵鋰電池安全性好，就是因為它作為正極在200-400℃的時候基本不發(fā)生分解，但正極的產(chǎn)熱只是副反應(yīng)的一部分，負極和電解液的氧化分解仍然存在，電池?zé)崾Э?，究其原因還是內(nèi)部出現(xiàn)了短路和過充的現(xiàn)象。

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　　磷酸鐵鋰電池發(fā)生熱失控主要是由于內(nèi)部產(chǎn)熱遠高于散熱速率，在鋰離子電池的內(nèi)部積攢了大量的熱量，從而引起了連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致電池起火和爆炸。

　　(1)過熱觸發(fā)熱失控

　　導(dǎo)致動力磷酸鐵鋰電池過熱的原因來自于電池的選型和熱設(shè)計的不合理，或者外短路導(dǎo)致電池的溫度升高、電纜的接頭松動等，應(yīng)該從電池設(shè)計和電池管理兩個方面來解決。從電池材料設(shè)計角度，可以開發(fā)來防止熱失控的材料，阻斷熱失控的反應(yīng)；從電池管理角度，可以預(yù)測不同的溫度范圍，來定義不同的安全等級，從而進行分級報警。

　　(2)過充電觸發(fā)熱失控

　　過充電觸發(fā)的熱失控是指磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)本身對過充電的電路安全功能缺失，導(dǎo)致電池的BMS已經(jīng)失控卻還在充電導(dǎo)致的。針對這類過充電的原因，解決辦法首先是查找充電機的故障，這可以通過充電機的完全冗余來解決；其次是看電池管理合不合理，比如說沒有監(jiān)控每一節(jié)電池的電壓。

　　(3)內(nèi)短路觸發(fā)熱失控

　　電池制造雜質(zhì)、金屬顆粒、充放電膨脹的收縮、析鋰等都有可能造成內(nèi)短路。這種內(nèi)短路是緩慢發(fā)生的，時間非常長，而且不知道它什么時候會出現(xiàn)熱失控。若進行試驗，無法重復(fù)驗證。目前全世界專家還沒有找到能夠重復(fù)由雜質(zhì)引起的內(nèi)短路的過程，都在研究當(dāng)中。

　　要解決內(nèi)短路問題，首先要找到產(chǎn)品品質(zhì)好的電池廠商，選擇磷酸鐵鋰電池及電池單體容量；其次對內(nèi)短路進行安全預(yù)測，在沒有發(fā)生熱失控之前，要找到有內(nèi)短路的單體。

　　(4)機械觸發(fā)熱失控

　　碰撞是典型的機械觸發(fā)熱失控的一種方式。如果在實驗室進行碰撞的一個仿真，最接近的是針刺。通過對三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池進行針刺試驗，研究熱失控過程，發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池在這個熱失控過程中沒有三元鋰電池放熱表現(xiàn)的那么劇烈。實驗表明，不同的材料在針刺的時候會有不同的反應(yīng)，磷酸鐵鋰相對安全。解決碰撞觸發(fā)熱失控的辦法就是做好電池的安全保護設(shè)計。

　　磷酸鐵鋰電池安全性及熱失控如何預(yù)防？

　　盡管磷酸鐵鋰電池安全無法根治，但卻是可控可防的，正確面對并積極探索一些新的安全性技術(shù)，將有利于促進電池技術(shù)進步，比如提高材料/界面熱穩(wěn)定性，開發(fā)單體自激發(fā)熱保護技術(shù)，以及系統(tǒng)熱擴展防范技術(shù)，就可以有效改善磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)的安全性。

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　　正極的熱分解和它引起的析氧主要在于它和界面（電解液）的反應(yīng)，于是我們可以在正極活性表面包覆熱穩(wěn)定的保護層。比如在高鎳的正極表面包覆磷酸膜或者磷酸鋰以后，可以減少高鎳材料與電解液的直接接觸，從而降低副反應(yīng)的強度和產(chǎn)熱。常見的包覆材料包括磷酸鹽、氧化物、氟化物，也可以是一些聚合物。

　?、矘?gòu)建濃度梯度

　　高鎳正極的不安全，除了本身的熱穩(wěn)定性不好以外，更重要的是鎳對電解液的氧化分解作用非常強，而材料本身的放熱量并不是那么大，但是加上電解液以后，它的產(chǎn)熱溫度和產(chǎn)熱量是急劇提高的，原因就是電解液的界面反應(yīng)占了很大的部分。如果我們將高鎳作為核，用一些低鎳含量的材料作為殼，讓它內(nèi)外有一個濃度梯度，這樣就有助于降低這個材料界面的反應(yīng)活性，提高磷酸鐵鋰電池安全性。

　?、程岣逽EI膜的穩(wěn)定性

　　上采用一些方式能提高SEI膜的分解溫度，提高熱穩(wěn)定性，對磷酸鐵鋰電池安全性將起到至關(guān)重要的作用。現(xiàn)在的研究表明，一些有機脂類，一些有機磷酸鹽，甚至一些含氟的鋰鹽，他們都是可以有效的來提高負極SEI膜熱穩(wěn)定性的，提高它的分解溫度。

　?、唇误w自激發(fā)熱保護

　　它的技術(shù)原理是利用溫度敏感材料切斷危險溫度下電極上的電子傳輸或離子傳輸，甚至關(guān)閉電池反應(yīng)，從而終止產(chǎn)熱。比如PTC材料，隨著溫度的升高材料會從一個良好的導(dǎo)電態(tài)變成一個絕緣態(tài)，切斷電路。將PTC材料作為極流體的涂層或者作為電極的導(dǎo)電劑或者作為活性物質(zhì)的表面修飾層，即可有效的實現(xiàn)單體電芯的自發(fā)熱保護。與之類似的還有一種微球修飾隔膜，溫度升高時微球發(fā)生一個熔化，封閉隔膜上的孔道導(dǎo)致電池反應(yīng)關(guān)閉。

　　我國有發(fā)展磷酸鐵鋰電池的優(yōu)勢。磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)水平不斷提高，產(chǎn)品性能穩(wěn)定。存能電氣小編認為，磷酸鐵鋰電池應(yīng)成為動力電池的發(fā)展重點，應(yīng)鼓勵繼續(xù)研究、提高產(chǎn)品性能，解決安全性能！