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究竟锂电池安全行如何?

究竟锂电池安全行如何?

来源:
2021/02/02 14:33
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【摘要】:

  锂电池用于小型消费电子产品,如手机和数码相机。2006年以前,由于自动化技术不成熟、产品标准不完善和检测技术不合格等因素,单体电池偶尔发生过热、起火、爆炸等安全事故,有时还会造成火灾事故甚至人身伤害。随着技术的进步,此类事故已经不那么频繁了。但在2013年,有一人在充电时因手机漏水而触电身亡,还有人的iPhone电池自燃。单芯电池的安全性再次引起了人们的关注。

电池充电完毕后,将电池放入装有60土、2℃的高温箱中2h,然后用1C5A电流恒放电至2.75V。放电时间不少于54分钟。将电池取出后在环境温度20±5℃的条件下使用2h,电池外观无变形,无爆裂。

  单体电池的安全问题一般是由于电池使用异常引起的,如电池变形、泄漏、起火、爆炸等引起的过充、过热或短路等热失控。安全问题产生的原因与它的内在结构是分不开的。

  锂电池由正极材料、负极材料、电解液和隔膜组成。正常充电时,锂离子电解液进入负极材料,负极一侧的锂离子通过膜进入正极一侧的电解液,负极材料上的金属锂变成锂离子进入电解液。但在正常使用的情况下,一旦阴极材料的稳定性稍差,很容易释放氧气,和电解质的碳酸盐反应,释放大量的热量和气体,金属锂阴极材料和活跃,和氧气接触会立即燃烧,点燃电解质,隔膜,etc.Especially铝壳锂离子电池,因为壳有一定的强度,所以大量的热和气体内部尖锐,导致了爆炸。

  以前,大多数人都认为锂离子电池比液体电解质更安全,因为电解质是胶体、半固态的,燃点更高,而聚合物电池可以采用软包装,可以提前突破外壳,防止气体和热量积聚过多。但今年涉及聚合物电池的安全事件颠覆了这种看法。聚合物电池还采用正极材料,有隔膜和有机电解质,而且电解质是胶体的,不太容易泄漏,会发生更剧烈的燃烧。燃烧也是聚合物电池最大的安全问题。

  由此可见,安全性是锂离子电池的基本特性。只有通过更安全的电池材料、防爆阀、保护电路等技术手段,以及提高生长过程中的质量控制水平,才能最大程度地降低安全事故发生的概率。特别是保护电路,在过充、过热或短路的情况下能迅速切断电流,对保护电池的安全非常重要。

  聚焦电池安全问题

  对于锂电池来说,目前安全问题比较突出或迫在眉睫的是电池组。一方面,电池组造成的安全事故发生的频率远远高于单电池。仅2013年,因电池组引起的火灾、操作故障等电动汽车安全事故就有10多起,而因电池组引起的电动自行车安全事故已报道数百起。更重要的原因是,电池组所造成的安全事故和影响远远超过单个电池。例如,一架波音客机的锂离子电池组发生火灾,不仅影响了波音的信誉,而且几乎导致锂离子电池从飞机市场上撤出。电池安全性也是电动汽车市场发展缓慢的一个重要因素。

  锂离子电池组的结构基本相似,通过电源管理系统将多节单体电池串并联连接起来,实现稳定的电压和能量输出/输入。锂离子电池组的安全问题不仅是单体电池本身造成的,还与电池组的容量和大小有关。大容量电池释放出大量的热量,大部分的电池组是比较难以加热的,热量更有可能积累,导致热失控。笔记本电脑用的六芯锂离子电池重约400克,电动自行车用的锂离子电池组重约4公斤,电动汽车用的更大的电池,比如特斯拉模型原型中使用的更大的锂离子电池组,更容易发生安全事故。

  如果不考虑单个电池的安全系数,只要每个电池散热良好,保护电路及时有效,就可以防止锂离子电池组的安全问题。在实践中,这是很难实现的,因为电池组是小空间内的少量单个电池,很难保证每个电池都能很好地加热。同时,由于每个电池所处的环境不同,其发热情况也不同。这大大增加了电池管理的难度,给电池管理系统带来了很大的不确定性。一旦电源管理系统不能正常工作,发生电池组安全事故的可能性非常高。

  至于笔记本电池,由于单体电池数量较少,电池环境变化相对较小,管理难度较低,特别是随着单体电池安全性的提高和电池管理技术的进步,基本不存在安全事故。而电动自行车和电动汽车的电池,单节电池的数量从几十个到几千个不等。每个电池的环境变化都比较小,很难管理。没有极其先进的电池管理系统,很难保证不发生安全事故。事实也证明了这一点,电力锂离子电池引起的安全事故无处不在。电动自行车火灾在中国频繁发生,几乎所有品牌,包括通用、卡玛、日产和比亚迪,都经历过由电池组引起的安全事故,特斯拉除外。特斯拉的电池组使用了超过6000个电池,远远超过其他任何电动汽车制造商,但由于其强大的电池管理系统,特斯拉从未发生过一次由电池组引起的安全事故。

  从而解决了锂电池组的安全问题。采用更安全的单体电池,合理布置电池结构,强大的电池管理系统,可将安全事故发生的概率降至最低。特斯拉就证明了这一点,它的性能值得每一个动力锂电池组制造商和电动汽车制造商学习。


 

 

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