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鋰離子動(dòng)力電池是什么電池,電芯用的是什么材料?

影響動(dòng)力電池安全性能的因素貫穿了一個(gè)動(dòng)力電池從電芯選材到使用終結(jié)的生命周期的始終,因此原因復(fù)雜多樣層次豐富。電芯材料本身,電芯的制造過(guò)程,電池集成中關(guān)于BMS(電池管理系統(tǒng))和安全性方面的設(shè)計(jì)和使用工況都是鋰離子電池安全性表現(xiàn)的影響因素。
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在這些環(huán)節(jié)中,出現(xiàn)制造誤差和濫用工況是無(wú)論如何也難以避免的,所以在這個(gè)現(xiàn)實(shí)條件下,對(duì)電池發(fā)生熱失控的預(yù)案設(shè)計(jì)就顯得尤其重要。本文通過(guò)對(duì)鋰離子動(dòng)力電池安全性能影響因素的梳理總結(jié),以期為其在高能量/高功率領(lǐng)域的應(yīng)用和研究提供可靠的依據(jù)。
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鋰離子電池因?yàn)槠渚邆涓吣芰棵芏龋吖β拭芏群烷L(zhǎng)使用壽命的特點(diǎn),在化學(xué)儲(chǔ)能器件中脫穎而出,現(xiàn)在在便攜式電子產(chǎn)品領(lǐng)域已經(jīng)技術(shù)成熟廣泛應(yīng)用了,如今在國(guó)家的政策支持下,在電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域和大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域的需求量也呈爆發(fā)式的增長(zhǎng)。
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鋰離子電池在通常情況下是安全的,但是,時(shí)有安全性事故的報(bào)道呈現(xiàn)在公眾面前。這些鋰離子電池安全性事故進(jìn)入公眾視野的最早時(shí)間可以追溯到4、5年以前。發(fā)展到現(xiàn)在,安全性仍然是制約鋰離子電池在高能量/高功率領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵性因素。熱失控不僅是發(fā)生安全性問(wèn)題的本質(zhì)原因,也是制約鋰離子電池性能表現(xiàn)的短板之一。
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鋰離子電池的潛在安全性問(wèn)題很大程度上影響了消費(fèi)者的信心。雖然人們一直期待BMS能夠準(zhǔn)確地監(jiān)控安全狀況(SOS)并能預(yù)測(cè)和阻止一些故障的發(fā)生,但是,由于熱失控的情況復(fù)雜多樣,很難由一種技術(shù)系統(tǒng)保障其生命周期中所面臨的所有安全狀況,所以,對(duì)其引發(fā)原因的分析和研究對(duì)一個(gè)安全可靠的鋰離子電池來(lái)說(shuō)仍然是必要的。
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2.電芯材料的選擇
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鋰離子電池的內(nèi)部組成主要為正極|電解質(zhì)|隔膜|電解質(zhì)|負(fù)極,在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行極耳的焊接,外包裝的包裹等步驟最終形成一只完整的電芯。電芯再經(jīng)過(guò)初始的充放電,化成分容排氣等步驟以后,就可以出廠(chǎng)使用了。這個(gè)過(guò)程的第一步,是材料的選擇。影響材料的安全性因素主要是其本征的軌道能量、晶體結(jié)構(gòu)和材料的性狀。
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正極材料
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正極活性材料在電池中的主要作用是貢獻(xiàn)比容量和比能量,其本征電極電勢(shì)對(duì)安全性有一定的影響。例如,近年來(lái),中國(guó)已經(jīng)將低電壓材料LiFePO4(磷酸鐵鋰)作為動(dòng)力電池的正極材料廣泛應(yīng)用于交通工具(例如混合式動(dòng)力車(chē)HEV,電動(dòng)車(chē)EV)和儲(chǔ)能設(shè)備(例如不間斷電源UPS)中,但是LiFePO4在眾多材料中所展現(xiàn)出來(lái)的安全性?xún)?yōu)勢(shì)實(shí)際是以犧牲能量密度為代價(jià)的,也就是說(shuō)會(huì)制約其使用者(如EV,UPS)的續(xù)航能力。
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而像NMC(LiNixMnyCo1-x-yO2)等三元材料雖然在能量密度上表現(xiàn)優(yōu)異,但是作為動(dòng)力電池的理想正極材料,安全性問(wèn)題一直得不到完善的解決。為了研究正極材料的熱行為,研究者們都做了很多工作,發(fā)現(xiàn)本征電極電勢(shì)和晶體結(jié)構(gòu)是影響其安全性的主要因素,如電極電位μC和電解液的電化學(xué)窗口最高占據(jù)軌道HOMO是否完美匹配,晶格中能否順利同時(shí)通過(guò)多個(gè)鋰離子……通過(guò)對(duì)材料種類(lèi)的選擇和元素的摻雜可以增強(qiáng)正極活性材料的安全性能。
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負(fù)極材料
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負(fù)極活性材料對(duì)安全性能的影響主要來(lái)自于其本征的軌道能量和電解質(zhì)LUMO,HOMO的配置關(guān)系。在快充的過(guò)程中,鋰離子通過(guò)SEI(固態(tài)電解質(zhì)界面)膜的速度可能比鋰在負(fù)極的沉積速度慢,鋰的支晶會(huì)隨著充放電循環(huán)而不斷生長(zhǎng),可能導(dǎo)致內(nèi)短路而引燃可燃性的電解質(zhì)發(fā)生熱失控,這一特性限制了負(fù)極在快充過(guò)程中的安全性。只有在以含碳材料作為緩沖層的鋰合金的負(fù)極電動(dòng)勢(shì)和鋰的電動(dòng)勢(shì)之差小于-0.7Ev,即μA<μLi0.7eV的情況下,才能保證鋰的沉積不會(huì)造成短路。出于安全性的考慮,動(dòng)力電池應(yīng)采用電動(dòng)勢(shì)小于1.0eV(相對(duì)于Li+/Li0)的負(fù)極材料實(shí)現(xiàn)安全的快充或者能夠?qū)崿F(xiàn)將充電電壓控制在遠(yuǎn)低于鋰的沉積電位的范圍內(nèi)。Li4Ti5O12在快充和快放領(lǐng)域有安全性的優(yōu)勢(shì),原因是其電動(dòng)勢(shì)為1.5eV(相對(duì)于Li+/Li0),低于電解質(zhì)的LUMO。還有一種負(fù)極材料Ti0.9Nb0.1Nb2O7,它可以在1.3≤V≤1.6V(相對(duì)于Li+/Li0)的電壓下快速充放30周以上,并且擁有300mAhg1的比容量,高于LTO。在放電的過(guò)程中因?yàn)椴淮嬖阡囯x子通過(guò)SEI膜和在負(fù)極上沉積的速度競(jìng)爭(zhēng),所以快放過(guò)程是安全的。
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電解質(zhì)和隔膜
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電解質(zhì)和隔膜對(duì)安全性的影響主要是其性狀。
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目前廣泛使用的商用電解質(zhì)的可燃性和液體狀態(tài)對(duì)安全性來(lái)講不是特別理想的選擇。如果采用鋰離子電導(dǎo)率σLi+>104Scm1的固態(tài)電解質(zhì),就可以一方面阻止鋰支晶刺破隔膜到達(dá)正極從而解決安全性問(wèn)題,另一方面也可以解決負(fù)極與碳酸鹽電解質(zhì)接觸和正極與水性電解液接觸時(shí)產(chǎn)生的穩(wěn)定性問(wèn)題。
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當(dāng)然,通過(guò)使用擁有更寬的電化學(xué)窗口(尤其是LUMO更高)的電解液,在電解質(zhì)里添加一些阻燃材料,將混合的離子液體和有機(jī)液體電解質(zhì)改性成為不易燃的電解液(與此同時(shí)離子傳導(dǎo)率σLi也不會(huì)降低太多)等手段也可以有效地提高安全性。
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隔膜的機(jī)械強(qiáng)度(抗拉伸和穿刺強(qiáng)度)、孔隙率和是否具備關(guān)閉功能是決定其安全性的重要依據(jù)。
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電芯的制造
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從電極的配料開(kāi)始,要經(jīng)過(guò)一系列的如攪拌、拉漿、裁片、刮粉、刷粉、對(duì)輥、極耳鉚接、焊接連片、貼膠紙、測(cè)試、化成等步驟。在這一系列的流程中,即使所有步驟都已經(jīng)完成,仍有可能因?yàn)楣ぷ鞑坏轿欢鴮?dǎo)致電池內(nèi)阻升高或短路而形成安全性問(wèn)題的隱患。如:焊接過(guò)程中產(chǎn)生虛焊(正/負(fù)極片與極耳間,正極極片與蓋帽間,負(fù)極極片與殼間,鉚釘與接觸內(nèi)阻大等),料塵,隔膜紙?zhí)』蛭磯|好,隔膜有洞,毛刺未清理干凈等。
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正負(fù)極的容量配比錯(cuò)誤也可能會(huì)導(dǎo)致大量金屬鋰在負(fù)極表面沉積,漿料均勻性不夠也會(huì)導(dǎo)致活性顆粒物分布不均,造成充放電負(fù)極體積變化大而析鋰,從而影響其安全性能。此外,化成步驟中SEI膜的生成質(zhì)量也直接決定了電池的循環(huán)性能和安全性能,影響其嵌鋰穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。影響SEI膜的因素包括負(fù)極碳材料、電解質(zhì)和溶劑的類(lèi)別,化成時(shí)的電流密度,溫度及壓力等參數(shù)的設(shè)定,通過(guò)對(duì)材料的適當(dāng)選擇,化成工藝的參數(shù)調(diào)整,可以提高生成SEI膜的質(zhì)量,從而提高電芯的安全性能。
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4.電堆的集成
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BMS電池管理系統(tǒng)
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電池管理系統(tǒng)(BMS)在動(dòng)力電池的使用中被寄予解決關(guān)鍵問(wèn)題的厚望。管理系統(tǒng)需要管理電池及其一致性,使其在不同條件下(溫度,海拔高度,最大倍率,電荷狀態(tài),循環(huán)壽命……)獲得最大的能量?jī)?chǔ)存、往返效率和安全性。BMS包括一些通用的模塊:數(shù)據(jù)采集器,通訊單元和電池狀態(tài)(SOC,SOC,SOP……)評(píng)估模型。隨著動(dòng)力電池的發(fā)展,對(duì)BMS的管理能力要求也更多更嚴(yán)苛。增加了比如熱量管理模塊,高壓監(jiān)控模塊……通過(guò)這些安全性模塊的增加,可望改善動(dòng)力電池在使用過(guò)程中的安全可靠性。
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電堆的集成設(shè)計(jì)
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電池發(fā)生熱失控后會(huì)引發(fā)冒煙、起火、爆炸等具有破壞性的行為,危害到使用者的人身安全。即使選用理論上最安全的配置方式,也不足以讓人高枕無(wú)憂(yōu)。如選用LiFePO4和Li4Ti5O12做成安全而適用于快速充放電電池的正極和負(fù)極材料,他們的電動(dòng)勢(shì)都位于電解質(zhì)的電化學(xué)窗口內(nèi),也不再需要SEI膜。但是,即是這樣也會(huì)因?yàn)檠趸€原電對(duì)會(huì)出現(xiàn)在陰離子的P軌道頂部或者和陽(yáng)離子的4S軌道發(fā)生交疊而不足以應(yīng)付該電極在一些工況下的工作情況。再合理的電芯設(shè)計(jì)和制造也無(wú)法避免使用工況中的意外情況發(fā)生,只有合理的電池包集成設(shè)計(jì)才可以讓電堆在電芯出問(wèn)題的情況下及時(shí)止損。
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如前所述,電池的安全性和續(xù)航能力在材料的層面是一對(duì)互相矛盾的結(jié)果。為了解決安全性和續(xù)航能力的平衡問(wèn)題,TeslaMotorsCo.Ltd率先做出了典范給了我們很好的啟示。特斯拉的ModelS使用了松下公司(PanasonicCo.Ltd)的高能量密度的NCR18650A型電池,在一個(gè)電堆中使用了7000多節(jié)電芯。這本是一個(gè)發(fā)生熱失控幾率很高的組合方式,但通過(guò)對(duì)電堆集成及其BMS的設(shè)計(jì),使用了很多創(chuàng)新性專(zhuān)利,使ModelS在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)生安全事故的幾率大大降低。以特斯拉的公開(kāi)專(zhuān)利為例,其中對(duì)單體安全性能、模組module安全性能和電池pack總成安全性能的加強(qiáng)可以或多或少代表解決集成的先進(jìn)辦法。
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Tesla通過(guò)在電芯的電極處、外殼上添加防火材料和套管,在單體之間保持最小安全距離,采用墊片保持單體在起火后的間距維持不變,使用高效安全閥預(yù)測(cè)單體破裂位置,單體安全閥門(mén)閥門(mén)打開(kāi)后即切斷單體與電器的連接,從而防止單體電芯間的熱量擴(kuò)散和發(fā)生熱失控之后引起的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。同時(shí),通過(guò)在電池的電極和電池殼的內(nèi)表面之間布置絕熱層,在模組間布置絕緣層,將Pack分區(qū)進(jìn)行保護(hù),從而阻隔模組間在發(fā)生熱失控發(fā)生后的熱量傳導(dǎo)和失控?cái)U(kuò)散。這些措施從電芯到模組的層面,層層設(shè)防,以期在內(nèi)部熱失控發(fā)生后最大限度地及時(shí)止損。
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熱失控預(yù)案設(shè)計(jì)
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對(duì)于熱失控發(fā)生后的預(yù)案設(shè)計(jì)方式多種類(lèi),多層面,除了上述的各種集成時(shí)考慮的安全性設(shè)計(jì)外,還有布控冷卻管道為電池冷卻和熱失控主動(dòng)緩和系統(tǒng)啟動(dòng)噴出冷卻液體以消減熱失控產(chǎn)生的影響;子電堆安全閥門(mén)及時(shí)打開(kāi),讓熱失控產(chǎn)生的高溫氣體及時(shí)排出體系,再由總閥門(mén)排出;利用內(nèi)置的其他系統(tǒng)吸收熱失控高溫產(chǎn)生的能量,降低危害……最后,一旦發(fā)生前序手段無(wú)法控制的情況,通過(guò),在pack所在位置的底部加裝防彈板,在乘員艙和pack層之間加阻熱層以最大可能性減小熱失控發(fā)生后所帶來(lái)的人身傷害。這些設(shè)計(jì)不僅可以使內(nèi)部熱失控時(shí)的能量及時(shí)消減,也可以預(yù)見(jiàn)在電池層面徹底失去控制后,災(zāi)難性后果仍在掌控范圍內(nèi)從而從根本上保障使用者的人身安全。
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5.電池的濫用
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即使鋰離子電池在如前所述的制造集成過(guò)程中都完美無(wú)瑕,在用戶(hù)實(shí)際使用的工況中,也難以避免濫用的情況。充放電制度(過(guò)充過(guò)放),環(huán)境溫度(熱箱),其他濫用(針刺,擠壓,內(nèi)短路)等,加上新國(guó)標(biāo)增加的環(huán)境濕度(海水浸泡)都是因?yàn)闉E用問(wèn)題而造成安全性問(wèn)題的原因。過(guò)充會(huì)造成正極活性材料晶體塌陷,鋰離子脫嵌通道受阻,從而使內(nèi)阻急劇升高,產(chǎn)生大量焦耳熱,同時(shí)也會(huì)使負(fù)極活性材料嵌鋰能力降低而產(chǎn)生鋰支晶造成短路的后果。環(huán)境溫度過(guò)熱會(huì)造成鋰離子電池內(nèi)部一系列鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng),包括隔膜的熔解,正/負(fù)極活性材料與電解質(zhì)的反應(yīng),正極/SEI膜/溶劑分解,嵌鋰負(fù)極與粘結(jié)劑的反應(yīng)等。針刺/擠壓都是在局部造成內(nèi)短路,和內(nèi)短路一樣在短路區(qū)聚集大量熱而造成熱失控的后果。以上研究已經(jīng)很多,本文不再一一贅述。
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6.總結(jié)
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動(dòng)力電池的安全性能決定了鋰離子電池在動(dòng)力領(lǐng)域的市場(chǎng)和未來(lái),影響動(dòng)力電池安全性能的因素貫穿了一個(gè)動(dòng)力電池從電芯選材到使用終結(jié)的生命周期的始終,因此原因復(fù)雜多樣層次豐富。材料本身的本征軌道能量,晶體結(jié)構(gòu)和性狀決定了一個(gè)電芯的本征安全性能;電芯的制造過(guò)程中每一個(gè)工藝環(huán)節(jié)精益求精的程度,自動(dòng)化程度和化成條件設(shè)置決定了其循環(huán)性能和安全性能,影響其嵌鋰穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性;電池集成中關(guān)于BMS和安全性方面的設(shè)計(jì)可以切實(shí)地保障電池的安全性,電池的制造和使用工況不可能始終處于理想狀態(tài),出現(xiàn)制造誤差和濫用工況是無(wú)論如何也難以避免的,在這個(gè)現(xiàn)實(shí)條件下,對(duì)電池發(fā)生熱失控的各種預(yù)案設(shè)計(jì)就顯得尤其重要。通過(guò)對(duì)特斯拉公司公開(kāi)的專(zhuān)利的學(xué)習(xí)讓我們可以借鑒到從電芯到電池系統(tǒng)阻止熱量傳遞防止熱失控的鏈?zhǔn)綌U(kuò)散的方法;使用冷卻噴淋系統(tǒng),安全閥門(mén)內(nèi)部等設(shè)施消耗高熱量以消減熱失控產(chǎn)生的影響;通過(guò)對(duì)載體的加固設(shè)計(jì)讓熱失控發(fā)生后對(duì)人身傷害程度降到最低值。
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總之,鋰離子動(dòng)力電池的安全性問(wèn)題研究任重而道遠(yuǎn),唯有理論結(jié)合實(shí)際不斷創(chuàng)新,才能迎來(lái)在高能量/高功率應(yīng)用領(lǐng)域真正意義上的輝煌。

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