談電動汽車用三元鋰電池安全特性
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摘要:闡述了電動汽車用鋰動力電池的工作過程，結(jié)合三元鋰電池安全性能試驗中過充、針刺等試驗結(jié)果現(xiàn)象，分析單體電池破壞的內(nèi)在原因，從三元鋰電池使用的材料、單體電池的結(jié)構(gòu)等方面論述提高三元鋰電池的安全性能的措施，以期在提高三元鋰電池安全性能方面提供指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞:三元鋰電池;安全性能;正極材料
一、緒論
鑒于國家對環(huán)保和節(jié)能要求的不斷提高，汽車市場中對低排放或零排放的新能源汽車越來越重視，純電動汽車作為新能源汽車一員其續(xù)航里程、安全穩(wěn)定性是亟待解決的問題，整車制造商把精力集中在三元鋰電池新技術(shù)研發(fā)上，而三元電池的安全穩(wěn)定性是設(shè)計環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵技術(shù)問題。三元電池安全性能試驗中過充、針刺等通過率低，儲存中常發(fā)生爆炸、自燃等問題，所以提高三元電池的安全性是一個重要的研究內(nèi)容。本文主要從鋰電池工作過程出發(fā)，結(jié)合相關(guān)安全性能試驗結(jié)果，揭示三元鋰電池出現(xiàn)安全問題的內(nèi)因，從三元鋰電池使用的材料和單體電池的結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行分析，提出改善措施。
二、電動汽車用鋰電池工作過程和特性分析
電動汽車用鋰動力電池在外接電源進(jìn)行充電時，正極片周圍的電子在電場的導(dǎo)引下，運動到負(fù)極材料中與鋰離子結(jié)合，以局部電中性狀態(tài)儲存于負(fù)極石墨縫隙里。在正負(fù)兩極離子濃度差的作用下，正極片材料中的鋰離子通過電解液介質(zhì)透過隔膜，到達(dá)負(fù)極片表面;在電動勢的作用下，擴散到鋰電池負(fù)極片內(nèi)部，接觸到外電路電子后，負(fù)極片材料內(nèi)部的局部電中性滯留其中。鋰動力電池外接負(fù)載放電過程中，負(fù)極片中的電子向外流動，經(jīng)過外部電路運動到正極片表面，嵌入到正極片材料中，與外電路來的電子結(jié)合。當(dāng)下電動汽車用鋰動力電池常見的正極材料類型主要有三元鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰等幾種。三元鋰電池因其正極材料含有鎳鈷錳(Ni、Co、Mn)三種元素而得名，這三種金屬元素的不同配比對電池的性能產(chǎn)生重要的影響，其中Ni元素，可以提高材料的活性，提高能量密度;Co元素，可以穩(wěn)定材料的分布結(jié)構(gòu)，利于材料的深度放電，提高材料的放電容量;Mn元素，在材料結(jié)構(gòu)中起支撐作用，從而提高電池充放電過程中的穩(wěn)定性。根據(jù)電動汽車用鋰動力電池不同正極材料類型分析其特性，可以看出鈷酸鋰電池雖然在能量密度等方面有相對的優(yōu)勢，但是安全性能方面無法解決，使用的范圍越來越小。對于錳酸鋰電池，由于其循環(huán)性能較差、高溫性能表現(xiàn)也較差，目前主要應(yīng)用在低端或低速車輛上?，F(xiàn)在電動汽車行業(yè)普遍使用磷酸鐵鋰和三元鋰動力電池，結(jié)合本地情況，城市公交(安凱客車)部分使用磷酸鐵鋰電池，純電動轎車(江淮、上汽)部分使用三元鋰動力電池。
三、三元鋰電池安全性能分析
本文主要結(jié)合方形鋁殼VDA三元鋰電池進(jìn)行分析，方形鋁殼VDA三元鋰電池主要由鋁制殼體、絕緣套、卷芯、蓋板、電解液等組成，其中現(xiàn)使用的電解液是易燃，高溫易產(chǎn)氣的有機液體，其性能直接影響三元鋰電池的安全性能。本文主要從以下三個方面對三元鋰電池安全性進(jìn)行分析。(1)三元鋰電池生產(chǎn)工藝主要有組裝、烘烤、注液、化成、分容等環(huán)節(jié)，其中組裝過程中極片激光切割中出現(xiàn)毛刺，在卷芯熱壓成型中刺穿隔膜，分容后存在安全隱患。由于方形VDA三元鋰電池分容過程中電解液分解易發(fā)生脹氣使內(nèi)部卷芯變形引起內(nèi)短路，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高產(chǎn)生“熱失控”現(xiàn)象，封閉的殼體內(nèi)部產(chǎn)生大量氣體使電池內(nèi)部溫度和壓力急劇上升，此時蓋板上泄氣壓閥如果不能正常打開，會使電池內(nèi)部能量無法釋放，能量積聚引起殼體破裂發(fā)生燃燒爆炸，導(dǎo)致安全問題。(2)三元鋰電池安全性能試驗中的過充試驗主要是模擬鋰電池在實際使用中充電時間過長，使負(fù)極片材料中鋰離子儲存飽和，過多的鋰離子就會在負(fù)極材料表面析出，形成的不規(guī)則結(jié)晶狀刺穿隔膜，引起電池內(nèi)短路，發(fā)生“熱失控”，使電解液裂解產(chǎn)氣，導(dǎo)致VDA鋁殼電池變形脹裂，負(fù)極材料的鋰原子和空氣中的氧氣接觸，發(fā)生燃燒爆炸。(3)三元鋰電池安全性能試驗中的針刺項目主要是在試驗設(shè)備上用規(guī)定尺寸的鋼針刺穿電池主體，模擬電動汽車在發(fā)生交通事故中鋰電池組受到外力擠壓、機械損傷引起爆燃的安全問題。試驗中VDA鋁殼電池在實驗設(shè)備上被鋼針刺穿引起的電池內(nèi)部短路，發(fā)生“熱失控”，電池內(nèi)部的高溫高壓使電解液裂解燃燒，進(jìn)而發(fā)生爆燃。通過對VDA鋁殼方形三元鋰電池試驗中安全問題的原因進(jìn)行分析，可以看出三元鋰電池發(fā)生安全問題主要由于三元鋰電池內(nèi)部反應(yīng)導(dǎo)致電池內(nèi)部過熱引起“熱失控”現(xiàn)象的發(fā)生，其中產(chǎn)生過熱的原因包括電池內(nèi)短路、過充、單體電池裝配一致性差、外界對電池產(chǎn)生損傷等方面。
四、提高三元鋰電池安全性的措施
提高三元鋰電池安全性能可以從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改善，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，主要有以下幾種方法:(1)在三元鋰電池蓋板結(jié)構(gòu)上設(shè)置翻轉(zhuǎn)片，方形鋁殼VDA電池設(shè)計時殼體與正極連接(殼體帶正電)，負(fù)極與殼體間用絕緣墊隔離，可以有效防止三元鋰電池過充現(xiàn)象的發(fā)生。原理是過充發(fā)生時，三元鋰電池內(nèi)部壓力升高使特殊結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)片變形凸出，形成外電路短路，切斷過充電過程。(2)在三元鋰電池蓋板結(jié)構(gòu)上設(shè)置防爆閥，方形鋁殼VDA電池在發(fā)生機械損傷時，電池內(nèi)部熱失控壓力急劇升高，將防爆閥膜片破壞，提前釋放內(nèi)部能量，防止電池因能量積聚發(fā)生爆炸，目前有電池生廠商將防爆閥和特殊產(chǎn)氣電解液組合使用，提高防爆閥動作靈敏性。
五、結(jié)語
由于三元鋰電池具有高能量密度、長續(xù)航里程、單體電池電壓平臺高等特點，所以受到電動汽車整車廠的關(guān)注，但是安全性能差，又限制其大規(guī)模配組應(yīng)用，特別是大容量(單體電池容量達(dá)到50AH)三元鋰電池很難通過針刺和過充等安全性能試驗。本文從三元鋰電池安全性能破壞機理分析，提出結(jié)構(gòu)上提高三元鋰電池通過安全性能試驗的方法，以期為三元鋰電池安全性能研究提供指導(dǎo)。
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作者：余劍 單位：安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院