锂电池爆炸机理研究

1、锂离子电池爆炸机理研究，唐志源陈玉红天津大学，研究意义，锂离子二次电池具有高能量、高工作电压、小尺寸、轻重量等优点，已成为移动通信、笔记本等便携式电子产品的主要电源之一。但是，锂离子电池在充放电过程中使用不当，会有爆炸的危险。特别是在热量、过度充电、短路、振动、挤压等滥用条件下，电池会发生燃烧、爆炸，甚至人身伤害等。因此，研究锂离子电池的爆炸机理对提高锂离子电池的安全性具有重要意义。锂离子电池的主要原因：I .碳负极表面有三种主要的热反应：SEI薄膜的热分解反应：SEI薄膜的热分解反应一般为120左右，反应释放的热很低，加上这种热电池，只有几度上升，没有危险。LixC6对溶剂的反应：LixC6

2、和溶剂反应的起始温度通常在120以上，释放的热量与x值、锂盐、溶剂相关，反应热相对较大，在某些情况下可能是电池失控的主要原因。粘结剂和粘结剂的反应：粘结剂大于LixC6的发热量(起始温度260发出大于1000J/g的热量)，但粘结剂在阴极中所占的比例有限，因此不会成为电池爆炸的主要原因。表1。阴极材料表面存在的主要发热反应，2 .正极材料(例如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4)在填充过程中处于亚稳定状态，这是存在于阳极表面的一些主要发热反应的常用负极材料。温度上升到约200，氧气分解，氧化溶剂释放(也有人认为电解质和阳极的反应在氧气释放前需要进一步研究)。双极材料的分解开始温度和散热

3、与材料的种类、锂插入状态、材料的郑智薰表面积有关，表2概括了一些双极材料的热稳定性。表2 .某些阳极表面上存在的主要发热反应；某些正极材料的热稳定性比较；linio 2 lini 0.8 co 0.2 o 2 licoo 2 lim N2 o 4 life po 4 Lin i3/8co 1/4mn 3/8o 2，3。电解质的热分解反应电解质的热分解反应(200以上)，主要是温度上升时溶剂和电解质的反应。分解温度和热释放与电解质锂盐的种类和浓度、溶解剂的种类及溶剂的比例有关。如果锂离子电池充电电压超过电解质的分解电压力(大于4.5V)，电解质也会分解，释放热量，产生气体。电池具有内部电阻(Rc

4、)，当电流通过阴极时，内部电阻产生的热量为I2Rct，有时称为偏振内部电阻热。电池外部短路时，电池内部电阻热占优势。锂离子电池内部的主要发热反应：锂离子电池的燃烧或爆炸主要是在温度上升时，电池内部活性物质和电解质成分之间的化学和电化学反应产生了大量热量和气体，图1显示了锂离子电池内部存在的主要发热反应。图1。锂离子电池内部存在的主要发热反应，导致锂离子电池燃烧或爆炸的几种可能性：锂离子电池加热后，电池内部的反应会徐璐促进和顺序进行，如一个反应链。第一，SEI膜分解释放热量，加热电池，阴极和溶剂的反应释放更多的热量，阴极和粘结剂的反应，分离溶剂后，阳极开始分解，释放大量的热量和气体，最终使电池燃

5、烧或爆炸。在锂离子电池充电初期，当电流通过电池时，部分功率转换为热量，欧姆极化也产生部分热量，但是电池表面温度上升得很慢。电池完全充电后，锂离子插入反应将锂金属沉积在阴极表面，溶剂氧化(由过度充填引起的溶剂氧化反应释放的热量远高于可逆状态下锂离子和溶剂反应释放的热量)释放的热量加热电池。随着电池温度的提高，金属锂和溶剂反应，锂插入碳，溶剂反应依次排出，热量失控，溶剂的分解，粘结剂，锂金属的反应。短路、针刺和冲击对锂离子电池造成几乎相同的危险。短路时电流在通过电池的瞬间产生大量热量，加热电池，将电池温度提高到阳极分解的温度，由于阳极热分解，电池热再次失控；针刺速度很快，针刺部位就会发生局部短路，

6、产生大量热量，电池内部温度上升到阳极热分解的温度；锂离子电池受到冲击时，电极上的过电压损失会产生热量，引起溶剂和阴极的反应，释放的热量会再次加热电池，导致阳极热分解反应，使热量失控。锂离子电池的热爆炸机理：电池在热冲击、充电、过放电、短路、振动、挤压等滥用状态下，电池内部的活性物质和电解质等元件之间发生化学、电化学反应，产生大量的热和气体，导致电池加热，如果锂离子电池内部的热生成速度大于热损失速度，系统内的反应温度将持续升高，热和内部压力积累到一定程度时，电池的燃烧或爆炸可能发生。例如：锂离子电池电解质受热后容易引起氢氧自由基的连锁反应，释放出大量的热。高温下天气溶剂会产生以下连锁反应。溶剂分

7、解：RHR H (1)氢自由基的连锁反应：h O2 ho h2h (3) o h2h ho (4)氢氧自由基的连锁反应不断进行，释放大量热量，这是电池燃烧或爆炸的主要原因。防止锂离子电池火灾或爆炸的措施：通过专用保护电路进行保护，例如，PTC聚合物开关(用于防止锂离子电池过度充电)或将防爆安全阀安装在电池头盔上。锂离子电池的热稳定性与正极材料的种类、电解质有关。优化合成条件，改进合成方法，合成热稳定性好的正极材料；或者使用掺杂技术等复合技术、涂层技术等表面涂层技术，提高阴极材料的热稳定性。碳材料表面的弱氧化，如还原、掺杂、表面改性等；或者使用球形、纤维碳负极材料提高电池的热稳定性。利用热稳定性好的锂盐和电位稳定性大的溶剂，提高电池的热稳定性。在有机电解质中添加一定数量的阻燃剂(有机磷阻燃剂、硅烷、硼酸盐等)也是提高电池安全性的重要方法。阻燃剂的工作原理：阻燃剂研究如何干扰或阻止这种氢氧自由基的连锁热反应。阻燃剂可以在加热时释放出具有阻燃性的自由基(P、N、F、C1)，这种自由基捕获气相中的氢自由基