锂离子电芯的安全性能.ppt

锂离子电芯的安全性能 第一部分锂离子电芯不安全行为发生的条件和机理 起火 电芯有火苗 火焰出现 电芯壳体有灼烧痕迹 爆炸 电芯内部材料瞬间从电芯内部喷出 电芯壳体被分裂或撕破的现象 常伴有起火燃烧现象 一 锂离子电芯不安全行为的描述 二 锂离子电芯不安全行为的发生机理 电芯的安全问题主要由电芯内部的热失控造成 电芯体系的温度由热量的产生和散发两个因素决定 当电芯的散热速率小于电芯的发热速率时 电芯内部温度持续升高 继而引发一系列放热反应 使得电芯内部热量大量积累 电芯内压急剧上升 发生爆炸 由于锂离子电芯所用有机溶剂闪点很低 极易燃烧 因此爆炸的同时常伴随着燃烧现象 电芯内部产生热量的来源有 A 电解液与正负极材料的反应B 电解液的热分解C 正负极材料的热分解D 构成闭合回路时 由于内阻而引起的热量 表1组成电池材料间的反应列举 锂离子电池的不安全行为主要发生在电池的非常态状况下 这些状态包括 A 异常充放电 如过充和短路等 B 机械条件滥用 如冲击 穿刺 振动等 C 异常受热 高温热冲击等 引起不安全行为的最危险因素 外短路 过充 高温热冲击和内短路 1 外短路时不安全行为的发生机理 外短路时 瞬时电流非常大 温度急剧上升 当温度达到130 以上时 SEI膜分解 引发电解液同阳极LixC6的放热反应 最终可能会因热失控而发生爆炸 为了提高电芯的外短路安全性能 常选用具有Shut down性能的隔膜 在温度达到130 以上时 隔膜发生闭孔 从而达到切断电池内部电路的目的 2 过充电时不安全行为的发生机理 过充时 正极电势随过充程度的增加而迅速上升 当电压超过电解液的分解电压时 约4 5V 造成电解液的氧化分解 并放出大量的热 引起电池温度的升高 当电池温度达到130 时 SEI膜开始分解 引发电解液同阳极LixC6放热反应 促使电池温度继续上升 当电池内部局部温度升高到180 以上时 阴极物质发生分解析氧 且过充堆积在负极上的过剩金属锂会迅速融化 并继续同电解液发生剧烈反应 产生大量的热量并形成高内压 从而导致发生爆炸 燃烧等不安全行为 因此过充时 电解液在过充正极表面的氧化分解是引起电芯温度升高并导致热失控的根本原因 explosion 3 热冲击时不安全行为的发生机理 随着温度的升高 SEI膜会破裂 导致嵌锂或未嵌锂的碳材料和LiPF6放热反应的发生 而当温度升高到180 左右时 以LiPF6为电解质的EC基体系的电解液将发生分解 使得电芯的安全性能进一步降低 当温度达到140 以上时 电压波动很大 继而降为零 经分析为隔膜收缩破裂引起短路 此后温度急剧上升 到193 时电芯爆炸 所以隔膜设计必须注重 explosion 4 内短路不安全行为的发生机理 厂家在发货前已经剔除了微短路的电芯 市场上电芯的不安全行为主要是由潜在微短路引起的 使用时随着电池的每一次充放电 电池厚度要经历一个膨胀收缩的过程 此时如存在粉尘 毛刺或锂枝晶 则其可能因受到挤压而刺穿隔膜 导致内短路的发生 从而引起安全事故 除了以上一些安全测试外 重物冲击 针刺和挤压等也是需要时常注意的几个安全测试项 但此几项都是破坏性实验 只要电芯的材料 结构设计和生产过程没有出现异常 一般情况下都是安全的 第二部分内短路 一 内短路产生的原因 就材料体系的使用而言 正常情况下对于电芯的不安全行为影响不是很大 而真正影响安全性能的主要是由内短路引起的热失控造成的 所以内短路的控制是非常重要的 而内短路的产生 主要是由电芯设计 生产控制的不合格而造成的 短路后瞬间电流大 温度急剧升高 最后由热失控而产生一系列的不安全现象 引起内短路的因素A 粉尘B 正负极电极片的错位C 电极片的质量 毛刺 D 析锂 锂枝晶 E 电解液分布不均匀内短路的发生 A 外界引发式 不正常使用引起的内短路B 自发式 正常使用时的内短路 二 内短路的控制1 电极片质量控制 活性物质分布均匀无毛刺无颗粒无脱浆 无缺陷极片 2 粉尘控制 生产环境粉尘控制电极片除尘卷绕防尘架的应用 3 设计上考虑隔膜的收缩率 在电芯不合理使用而产生热量后 隔膜横向 纵向方向上的收缩是必须考虑的 否则可能由于隔膜的收缩而使得电芯内部正负极接触而发生内短路 使电芯的不安全性大大提高 4 装配控制 定位卷针的使用定位槽的使用短路测试控制 5 锂枝晶的控制 加强制浆 涂布管理 改善极片的一致性和均匀性 控制正负极电极片的搭配电解液的浸润化成控制老化控制 第三部分现状描述 一 团队介绍 随着市场的推动 风华锂电一直对产品的安全性能非常重视 公司在以前大量工作的基础上 于2003年12月专门成立了安全性能改进小组 全面的对我们产品的安全性能进行改进 并取得了较好的成绩 现将安全性能改进小组成员介绍如下 安全性能改进小组成员及分工 二 电芯的安全性能现状 1 一些常用型号电芯的安全性能现状 2 现阶段150 热冲击测试 温度曲线看 整改后 电芯最高温度不超过160 没有引起热失控 电压始终在3 9V以上波动 最终电压为3 98V 即说明没有造成内短路 3 现阶段3C10V过充测试 电压在刚开始时 迅速上升到4 5V左右 继而电压保持平稳 10min后达到5V 此后电压急剧上升到10V 电流降为0 此过程与添加的防过充添加剂有关 温度变化和电压变化保持了很好的一致性 这与电芯内部反应速度有关 添加剂的影响 电芯的最高温度为120 三 与国内各大厂家电芯安全性能的对比 三