鋰離子電池?zé)崾Э貦C理解析
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鄧軼康
當(dāng)熱失控發(fā)生時,電池的熱失控過程如下圖所示:
從圖中可以看出,當(dāng)隔膜熔融,電池發(fā)生不可逆的產(chǎn)生鏈式反應(yīng)時,電池溫度將急劇升高,可能導(dǎo)致火災(zāi)甚至爆炸。為了降低鋰電池的火災(zāi)爆炸危險,對于熱失控機理的掌握變得尤為重要。
首先,需要明確,觸發(fā)鋰電池?zé)崾Э氐臑E用條件主要包括三個方面:機械濫用、電濫用和熱濫用。這三種濫用條件的熱失控觸發(fā)機理如下:
機械濫用 機械濫用可以進一步分為碰撞擠壓和穿刺兩種情況。 (1)碰撞或擠壓 在碰撞和擠壓情況下,電池往往會受到外界的力量作用,導(dǎo)致電池隔膜受損,這可能引發(fā)內(nèi)部短路,并釋放大量的熱量。這種熱失控的機理在于外界碰撞或擠壓造成電池內(nèi)部的短路,熱量的釋放加劇了問題的惡化。以下圖為例,電池隔膜在擠壓后的變化,擠壓后隔膜產(chǎn)生透明區(qū)域,變得脆弱,在幾個充放電循環(huán)后,隔膜破裂,發(fā)生內(nèi)部短路,進而引發(fā)熱失控。 (2)針刺 當(dāng)電池收到穿刺時,往往會觸發(fā)一種類似“糖葫蘆”型的微短路電池結(jié)構(gòu)。在這種情況下,針刺將直接影響電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu),釋放熱量,并且針刺會產(chǎn)生接觸電阻,引發(fā)歐姆熱。隨著熱量的積累,隔膜收縮,導(dǎo)致大規(guī)模的內(nèi)部短路,最終觸發(fā)熱失控,下圖為電池受到針刺后內(nèi)部短路現(xiàn)象的示意圖。 電濫用 電濫用分為內(nèi)部短路、外部短路、過度充電和過度放電四種模式,在這里主要介紹內(nèi)部短路和過度充電這兩種具有代表性的情況。 (1)內(nèi)部短路 內(nèi)部短路的產(chǎn)生常常會伴隨著溫度的迅速升高,內(nèi)部短路通常是由于隔膜受損,導(dǎo)致電池的正負極直接接觸所引發(fā)的。短路會釋放大量的熱量。這一過程還可能引發(fā)附近隔膜的斷裂,引發(fā)熱失控在電池內(nèi)部的傳遞,最終電池結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,隔膜繼續(xù)收縮,進一步導(dǎo)致大規(guī)模的內(nèi)部短路,最終觸發(fā)熱失控。下圖為高速x射線攝像機拍攝的電池內(nèi)部短路后熱失控傳播的現(xiàn)象: (2)過度充電 如下圖所示,鋰電池在充電過程中,鋰離子會從陽極像陰極移動,而過度充電會導(dǎo)致陽極過度析鋰,從而使陽極結(jié)構(gòu)崩潰,內(nèi)阻增加,并釋放熱量和氧氣。氧氣與電解液反應(yīng),釋放CO、CO2以及烴類氣體,同時電解液也會分解,導(dǎo)致產(chǎn)熱加劇,最終觸發(fā)熱失控。 熱濫用 熱濫用的是一個逐漸升溫的過程,根據(jù)任東升等人的總結(jié),熱濫用條件下電池的熱失控可以分為以下四個階段: (1)自產(chǎn)熱階段,陽極反應(yīng)發(fā)生,電池開始升溫; (2)隔膜開始收縮引發(fā)內(nèi)部短路,但電池內(nèi)阻很高幾乎不產(chǎn)生焦耳熱; (3)陽極反應(yīng)加劇,釋放更多的熱量和氣體; (4)陰極反應(yīng)開始,熱失控觸發(fā)。 了解這些機理可以幫助我們更好地預(yù)防和處理鋰離子電池?zé)崾Э貑栴},從而提高新能源汽車的安全性。在未來,我們可以從機理入手進行鋰電池安全性的研究,進而做到從本質(zhì)上防止鋰電池的熱失控。