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(duì)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?yàn)樗鳛檎龢O在200-400℃的時(shí)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(fù)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(yuǎn)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(dòng)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(jì)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(dòng)等,應(yīng)該從電池設(shè)計(jì)和電池管理兩個(gè)方面來解決。從電池材料設(shè)計(jì)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(cè)不同的溫度范圍,來定義不同的安全等級(jí),從而進(jìn)行分級(jí)報(bào)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(duì)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(duì)這類過充電的原因,解決辦法首先是查找充電機(jī)的故障,這可以通過充電機(jī)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(shí)間非常長,而且不知道它什么時(shí)候會(huì)出現(xiàn)熱失控。若進(jìn)行試驗(yàn),無法重復(fù)驗(yàn)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(duì)內(nèi)短路進(jìn)行安全預(yù)測(cè),在沒有發(fā)生熱失控之前,要找到有內(nèi)短路的單體。
(4)機(jī)械觸發(fā)熱失控
碰撞是典型的機(jī)械觸發(fā)熱失控的一種方式。如果在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行碰撞的一個(gè)仿真,最接近的是針刺。通過對(duì)三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池進(jìn)行針刺試驗(yàn),研究熱失控過程,發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池在這個(gè)熱失控過程中沒有三元鋰電池放熱表現(xiàn)的那么劇烈。實(shí)驗(yàn)表明,不同的材料在針刺的時(shí)候會(huì)有不同的反應(yīng),磷酸鐵鋰相對(duì)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(hù)設(shè)計(jì)。
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(duì)并積極探索一些新的安全性技術(shù),將有利于促進(jìn)電池技術(shù)進(jìn)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(hù)技術(shù),以及系統(tǒng)熱擴(kuò)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(hù)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(qiáng)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(duì)電解液的氧化分解作用非常強(qiáng),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(gè)濃度梯度,這樣就有助于降低這個(gè)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(duì)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(jī)脂類,一些有機(jī)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(fù)極SEI膜熱穩(wěn)定性的,提高它的分解溫度。
⒋建立單體自激發(fā)熱保護(hù)
它的技術(shù)原理是利用溫度敏感材料切斷危險(xiǎn)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(huì)從一個(gè)良好的導(dǎo)電態(tài)變成一個(gè)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(shí)現(xiàn)單體電芯的自發(fā)熱保護(hù)。與之類似的還有一種微球修飾隔膜,溫度升高時(shí)微球發(fā)生一個(gè)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(shì)。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(rèn)為,磷酸鐵鋰電池應(yīng)成為動(dòng)力電池的發(fā)展重點(diǎn),應(yīng)鼓勵(lì)繼續(xù)研究、提高產(chǎn)品性能,解決安全性能!
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