隨著電子產(chǎn)品的普及和綠色新能源的倡導(dǎo)，電池作為一種新能源儲存的解決方案被普遍用于人們生活、工業(yè)、運輸?shù)确矫妫⑶疫@種能源有替代傳統(tǒng)能源的趨勢，但是在廣泛應(yīng)用的同時，電池的很多弊端也顯露出來，其中爆炸和燃燒是電池在使用中最大的安全問題，其就如一顆定時炸彈時時地威脅著人們的生命財產(chǎn)安全，電池的安全性如今是我們越來越多去探討和研究的問題。

鋰電池簡介：

“鋰電池”，是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由GilbertN.Lewis提出并研究。20世紀70年代時，M.S.Whittingham提出并開始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學(xué)特性非常活潑，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對環(huán)境要求非常高。所以，鋰電池長期沒有得到應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在鋰電池已經(jīng)成為了主流。

鋰電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的。可充電電池的第五代產(chǎn)品鋰金屬電池在1996年誕生，其安全性、比容量、自放電率和性能價格比均優(yōu)于鋰離子電池。由于其自身的高技術(shù)要求限制，現(xiàn)在只有少數(shù)幾個國家的公司在生產(chǎn)這種鋰金屬電池。

鋰電池安全性的分析探討

在目前的生產(chǎn)應(yīng)用中化學(xué)電源由于其技術(shù)難度不高，生產(chǎn)成本較低，比能量較好，被廣泛地得以應(yīng)用。化學(xué)電源在使用過程中，不斷通過化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生定向流動的電子從而提供持續(xù)的電源，在其化學(xué)反應(yīng)中會伴隨著熱量的產(chǎn)生，當(dāng)熱量不能及時擴散，會導(dǎo)致熱失控，熱失控會使電池發(fā)生毀壞，如猛烈的泄氣、破裂并伴隨著著火，若要安全地使用電池，必須在有限的使溫度范圍、充電倍率、充放電終止電壓等才能保證電池的安全運行。

一、電池爆炸原因分析

鋰電池芯爆炸的類形可歸納為外部短路、內(nèi)部短路、及過充三種。此處的外部系指電芯的外部，包含了電池組內(nèi)部絕緣設(shè)計不良等所引起的短路。當(dāng)電芯外部發(fā)生短路，電子組件又未能切斷回路時，電芯內(nèi)部會產(chǎn)生高熱，造成部分電解液汽化，將電池外殼撐大。當(dāng)電池內(nèi)部溫度高到135攝氏度時，質(zhì)量好的隔膜紙，會將細孔關(guān)閉，電化學(xué)反應(yīng)終止或近乎終止，電流驟降，溫度也慢慢下降，進而避免了爆炸發(fā)生。但是，細孔關(guān)閉率太差，或是細孔根本不會關(guān)閉的隔膜紙，會讓電池溫度繼續(xù)升高，更多的電解液汽化，最后將電池外殼撐破，甚至將電池溫度提高到使材料燃燒并爆炸。內(nèi)部短路主要是銅箔與鋁箔的毛刺穿破隔膜，或是鋰原子的樹枝狀結(jié)晶穿破隔膜所造成。這些細小的針狀金屬，會造成微短路。由于針很細有一定的電阻值，因此，電流不見得會很大，毛刺微短路引發(fā)爆炸的機率不高。過充引發(fā)內(nèi)部短路造成的這種爆炸，并不一定發(fā)生在充電的當(dāng)時。有可能電池溫度還未高到讓材料燃燒、產(chǎn)生的氣體也未足以撐破電池外殼時，消費者就終止充電，帶手機出門。這時眾多的微短路所產(chǎn)生的熱，慢慢的將電池溫度提高，經(jīng)過一段時間后，才發(fā)生爆炸。由此可見鋰電池芯爆炸。

二、影響鋰離子電池安全的因素

一般情況下鋰離子電池除了要滿足容量、內(nèi)阻和高低溫充放電性能的要求外還需要通過各種安全性能測試。往往鋰離子電池的過充電、短路、熱沖擊和機械沖擊等均容易對電池的安全產(chǎn)生影響，但是這些因素的作用和效果卻不盡相同。

1、針刺、短路和擠壓對電池安全性的影響

當(dāng)電池發(fā)生外部短路或受到針刺和擠壓時，往往很容易導(dǎo)致電池內(nèi)部的隔膜破裂，造成電池在極短的時間內(nèi)有很大的電流流過，這樣就直接導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度急劇升高，從而在很短的時間內(nèi)引發(fā)一系列的劇烈反應(yīng)，甚至發(fā)生燃燒、爆炸等安全問題。對于安全性能較差的電池，這個過程往往在數(shù)秒內(nèi)完成。由于鋰離子電池比能量很高，如2200mAh的筆記本電腦電池，單只能量可達30kJ左右，一旦發(fā)生短路，電池可以達到很高的發(fā)熱功率，致使電池在很短的時間內(nèi)上升到極高的溫度，發(fā)生危險后的電池封口處的鋁制防爆閥往往被熔化。

2、熱沖擊對電池安全的影響

當(dāng)電池受到熱沖擊時，由于電池導(dǎo)熱速率相對較慢，因此可以經(jīng)受較短時間的熱沖擊。與短路和針刺擠壓相比，如果熱沖擊的溫度較低，則對電池的影響不大，如果熱沖擊的溫度較高，導(dǎo)致電池負極表面SEI膜發(fā)生分解，高度嵌鋰的負極材料就會與電解液發(fā)生放熱反應(yīng)，此時電池進入危險期，但是否發(fā)生危險取決于電池散熱的速率，如果散熱速率較慢，就容易導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度進一步升高，隔膜熔化，電池內(nèi)部發(fā)生短路，溫度急劇升高，引發(fā)正極材料參與反應(yīng)，最后發(fā)生爆炸等危險事故，這個過程一般稱為“熱失控”。

1.3過充電對電池安全的影響

當(dāng)電池發(fā)生過充時，不同電極材料由于化學(xué)性質(zhì)不同，產(chǎn)生的影響也不同。在高倍率充電初期，大部分電能通過可逆的化學(xué)反應(yīng)而被儲存，電池發(fā)熱功率較小，但是在充電后期由于發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)，電能變成了熱能，導(dǎo)致電池溫度迅速升高而引發(fā)一系列的化學(xué)反應(yīng)。

三、提高鋰離子電池安全性的措施

1、選用安全系數(shù)更高的原材料

選用安全系數(shù)更高的正負極活性材料、隔膜材料和電解液。正極材料的安全性主要基于材料的熱力學(xué)穩(wěn)定性、材料的化學(xué)穩(wěn)定性、材料的物理性能三個方面進行;隔膜材料應(yīng)基于機械隔離性能、孔徑和空隙率、材料的化學(xué)穩(wěn)定行、自動關(guān)閉功能、較小的熱收縮率和變形率、材料厚度、較大的物理強度等方面進行綜合考慮;電解液應(yīng)選擇化學(xué)穩(wěn)定行好、電化學(xué)穩(wěn)定性好、鋰離子導(dǎo)電率高、液態(tài)穩(wěn)定范圍寬的材料。

2、強加電芯整體安全設(shè)計

電芯是將電池各種物質(zhì)組合起來的紐帶，是正極、負極、隔膜、極耳和包裝膜等結(jié)構(gòu)的集成，電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計不但影響到各種材料性能的發(fā)揮，還對電池整體化學(xué)性能、安全性能產(chǎn)生重要的影響。在電芯設(shè)計上，應(yīng)結(jié)合材料特性來制定合理的結(jié)構(gòu)模式，在鋰電池結(jié)構(gòu)上還可以考慮加入一些額外的保護裝置，如采用開關(guān)元件、安全閥等。

3、提高工藝水平

努力做好電芯生產(chǎn)過程中的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。在混料、涂布、烘烤、壓實、分切和卷繞等步驟中，制定標(biāo)準(zhǔn)化(如隔膜寬度、電解液注液量等)，改進工藝手段(如低氣壓注液法、離心裝殼法等)，做好工藝控制.保證工藝質(zhì)量，縮小產(chǎn)品間的差異：在對安全有影響到關(guān)鍵步驟設(shè)置特殊步(如去極片毛刺、掃粉、對不同的材料采用不同的焊接方法等)。實施標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量監(jiān)控，消除缺陷部位，排除有缺陷產(chǎn)品(如極片變形、隔膜刺破、活性材料脫落和電解液泄漏等);保持生產(chǎn)場所的整潔、清潔。實施5S管理和6-sigma質(zhì)量控制。防止生產(chǎn)中混入雜質(zhì)和水分，盡量減少生產(chǎn)中的意外情況對安全性的影響。

4結(jié)論

各種鋰離子電池由于具有優(yōu)良的性能而得到了廣泛的應(yīng)用，同時其安全性也同樣受到了廣泛關(guān)注。由于鋰離子電池由高活性的正負極材料和有機電解液組成，在受熱條件下非常容易發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，因此各種情況導(dǎo)致的“熱失控”是引發(fā)電池發(fā)生危險事故的主要原因。目前一般采用了防爆閥、熱封閉隔膜和正溫度系數(shù)電阻等安全措施，同時各種提高電池安全性的化學(xué)方法也正在研究中，往往各種安全措施的配合使用可以更好地提高鋰離子電池的安全性。