鋰離子電池由于其具有高能量密度，高功率密度和長運(yùn)用壽數(shù)的特色，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)品范疇現(xiàn)已技能成熟廣泛運(yùn)用了，現(xiàn)在在國家的方針支持下，在電動(dòng)汽車范疇和大規(guī)模儲(chǔ)能范疇的需求量也呈爆發(fā)式的上升。

鋰離子電池在通常狀況下是安全的，可是，時(shí)有安全性事端的報(bào)導(dǎo)呈現(xiàn)在大眾面前。比較聞名的有近幾年的波音公司737和B787飛機(jī)電池著火，比亞迪電動(dòng)汽車起火，特斯拉MODELS起火…這些鋰離子電池安全性事端進(jìn)入大眾視界的最早時(shí)刻能夠追溯到4、5年以前。開展到現(xiàn)在，安全性仍然是限制鋰離子電池在高能量/高功率范疇運(yùn)用的關(guān)鍵性要素。熱失控不僅是發(fā)作安全性問題的實(shí)質(zhì)原因，也是限制鋰離子電池功用體現(xiàn)的短板之一。

鋰離子電池的潛在安全性問題很大程度上影響了顧客的決心。盡管人們一直期待BMS能夠精確地監(jiān)控安全狀況（SOS）并能猜測和阻撓一些故障的發(fā)作,可是，由于熱失控的狀況雜亂多樣，很難由一種技能體系確保其生命周期中所面對的所有安全狀況，所以，對其引發(fā)原因的分析和研討對一個(gè)安全牢靠的鋰離子電池來說仍然是必要的。

2.電芯資料的選擇

鋰離子電池的內(nèi)部組成首要為正極｜電解質(zhì)｜隔閡｜電解質(zhì)｜負(fù)極，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行極耳的焊接，外包裝的包裹等進(jìn)程最終構(gòu)成一只完整的電芯。電芯再經(jīng)過初始的充放電，化成分容排氣等進(jìn)程今后，就能夠出廠運(yùn)用了。這個(gè)進(jìn)程的第一步，是資料的選擇。影響資料的安全性要素首要是其本征的軌跡能量、晶體結(jié)構(gòu)和資料的性狀。

2.1正極資料

正極活性資料在電池中的首要用途是貢獻(xiàn)比容量和比能量，其本征電極電勢對安全性有必定的影響。例如，近年來，我國現(xiàn)已將低電壓資料LiFePO4（磷酸鐵鋰）作為動(dòng)力鋰電池的正極資料廣泛運(yùn)用于交通工具（例如混合式動(dòng)力車HEV,電動(dòng)汽車EV）和儲(chǔ)能設(shè)備（例如不間斷電源UPS）中，可是LiFePO4在眾多資料中所展現(xiàn)出來的安全性優(yōu)勢實(shí)踐是以獻(xiàn)身能量密度為價(jià)值的，也就是說會(huì)限制其運(yùn)用者（如EV,UPS）的續(xù)航能力。而像NMC(LiNixMnyCo1-x-yO2)等三元資料盡管在能量密度上體現(xiàn)優(yōu)異，可是作為動(dòng)力鋰電池的理想正極資料，安全性問題一直得不到完善的處理。為了研討正極資料的熱行為，研討者們都做了許多作業(yè)，發(fā)現(xiàn)本征電極電勢和晶體結(jié)構(gòu)是影響其安全性的首要要素，如電極電位μC和電解液的電化學(xué)窗口最高占據(jù)軌跡HOMO是否完美匹配，晶格中能否順利一起經(jīng)過多個(gè)鋰離子……經(jīng)過對資料種類的選擇和元素的摻雜能夠增強(qiáng)正極活性資料的安全功用。

2.2負(fù)極資料

負(fù)極活性資料對安全功用的影響首要來自于其本征的軌跡能量和電解質(zhì)LUMO,HOMO的裝備聯(lián)系。在快充的進(jìn)程中，鋰離子經(jīng)過SEI（固態(tài)電解質(zhì)界面）膜的速度可能比鋰在負(fù)極的堆積速度慢，鋰的支晶會(huì)跟著充放電循環(huán)而不斷生長，可能導(dǎo)致內(nèi)短路而引燃可燃性的電解質(zhì)發(fā)作熱失控，這一特性限制了負(fù)極在快充進(jìn)程中的安全性。只有在以含碳資料作為緩沖層的鋰合金的負(fù)極電動(dòng)勢和鋰的電動(dòng)勢之差小于-0.7Ev，即μA<μLi0.7eV的狀況下，才干確保鋰的堆積不會(huì)構(gòu)成短路。出于安全性的考慮，動(dòng)力鋰電池應(yīng)選用電動(dòng)勢小于1.0eV（相關(guān)于Li+/Li0）的負(fù)極資料完成安全的快充或許能夠完成將充電電壓操控在遠(yuǎn)低于鋰的堆積電位的范圍內(nèi)。Li4Ti5O12在快充和快放范疇有安全性的優(yōu)勢，原因是其電動(dòng)勢為1.5eV（相關(guān)于Li+/Li0），低于電解質(zhì)的LUMO。還有一種負(fù)極資料Ti0.9Nb0.1Nb2O7，它能夠在1.3≤V≤1.6V（相關(guān)于Li+/Li0）的電壓下快速充放30周以上，并且具有300mAhg1的比容量，高于LTO。在放電的進(jìn)程中由于不存在鋰離子經(jīng)過SEI膜和在負(fù)極上堆積的速度競爭，所以快放進(jìn)程是安全的。

2.3電解質(zhì)和隔閡

電解質(zhì)和隔閡對安全性的影響首要是其性狀。

現(xiàn)在廣泛運(yùn)用的商用電解質(zhì)的可燃性和液體狀況對安全性來講不是特別理想的選擇。假如選用鋰離子電導(dǎo)率σLi+>104Scm1的固態(tài)電解質(zhì)，就能夠一方面阻撓鋰支晶刺破隔閡抵達(dá)正極然后處理安全性問題，另一方面也能夠處理負(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)發(fā)生的穩(wěn)定性問題。當(dāng)然，經(jīng)過運(yùn)用具有更寬的電化學(xué)窗口（特別是LUMO更高）的電解液，在電解質(zhì)里新增一些阻燃資料，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（與此一起離子傳導(dǎo)率σLi也不會(huì)下降太多）等手法也能夠有效地進(jìn)步安全性。

隔閡的機(jī)械強(qiáng)度（抗拉伸和穿刺強(qiáng)度）、孔隙率和是否具有封閉功用是決議其安全性的重要根據(jù)。

3.電芯的制作

從電極的配料開端，要經(jīng)過一系列的如拌和、拉漿、裁片、刮粉、刷粉、對輥、極耳鉚接、焊接連片、貼膠紙、測驗(yàn)、化成等進(jìn)程。在這一系列的流程中，即便所有進(jìn)程都現(xiàn)已完成，仍有可能由于作業(yè)不到位而導(dǎo)致電池內(nèi)阻升高或短路而構(gòu)成安全性問題的隱患。如：焊接進(jìn)程中發(fā)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，隔閡紙?zhí)』蛭磯|好，隔閡有洞，毛刺未整理潔凈等。正負(fù)極的容量配比過錯(cuò)也可能會(huì)導(dǎo)致大量金屬鋰在負(fù)極外表堆積，漿料均勻性不夠也會(huì)導(dǎo)致活性顆粒物散布不均，構(gòu)成充放電負(fù)極體積改變大而析鋰，然后影響其安全功用。此外，化成進(jìn)程中SEI膜的生成質(zhì)量也直接決議了電池的循環(huán)功用和安全功用，影響其嵌鋰穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。影響SEI膜的要素包含負(fù)極碳資料、電解質(zhì)和溶劑的類別，化成時(shí)的電流密度，溫度及壓力等參數(shù)的設(shè)定，經(jīng)過對資料的適當(dāng)選擇，化成工藝的參數(shù)調(diào)整，能夠進(jìn)步生成SEI膜的質(zhì)量，然后進(jìn)步電芯的安全功用。

4.電堆的集成

4.1BMS電池辦理體系

電池辦理體系（BMS）在動(dòng)力鋰電池的運(yùn)用中被寄予處理關(guān)鍵問題的期望。辦理體系需求辦理電池及其一致性，使其在不同條件下（溫度，海拔高度，最大倍率，電荷狀況，循環(huán)壽數(shù)……）取得最大的能量貯存、往復(fù)效率和安全性。BMS包含一些通用的模塊：數(shù)據(jù)采集器，通訊單元和電池狀況（SOC,SOC,SOP……）評估模型。跟著動(dòng)力鋰電池的開展，對BMS的辦理能力要求也更多更嚴(yán)苛。新增了比如熱量辦理模塊，高壓監(jiān)控模塊……經(jīng)過這些安全性模塊的新增，可望改進(jìn)動(dòng)力鋰電池在運(yùn)用進(jìn)程中的安全牢靠性。

4.2電堆的集成規(guī)劃

電池發(fā)作熱失控后會(huì)引發(fā)冒煙、起火、爆炸等具有破壞性的行為，危害到運(yùn)用者的人身安全。即便選用理論上最安全的裝備方法，也不足以讓人高枕無憂。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)極資料，他們的電動(dòng)勢都坐落電解質(zhì)的電化學(xué)窗口內(nèi)，也不再需求SEI膜。可是，即是這樣也會(huì)由于氧化還原電對會(huì)出現(xiàn)在陰離子的P軌跡頂部或許和陽離子的4S軌跡發(fā)作交疊而不足以應(yīng)付該電極在一些工況下的作業(yè)狀況。再合理的電芯規(guī)劃和制作也無法防止運(yùn)用工況中的意外狀況發(fā)作，只有合理的電池包集成規(guī)劃才干夠讓電堆在電芯出問題的狀況下及時(shí)止損。

如前所述，電池的安全性和續(xù)航能力在資料的層面是一對互相矛盾的成果。為了處理安全性和續(xù)航能力的平衡問題，TeslaMotorsCo.Ltd率先做出了模范給了我們很好的啟示。特斯拉的ModelS運(yùn)用了松下公司（PanasonicCo.Ltd）的高能量密度的NCR18650A型電池，在一個(gè)電堆中運(yùn)用了7000多節(jié)電芯。這本是一個(gè)發(fā)作熱失控幾率很高的組合方法，但經(jīng)過對電堆集成及其BMS的規(guī)劃，運(yùn)用了許多創(chuàng)新性專利，使ModelS在實(shí)踐運(yùn)用進(jìn)程中發(fā)作安全事端的幾率大大下降。以特斯拉的揭露專利為例，其中對單體安全功用、模組module安全功用和電池pack總成安全功用的加強(qiáng)能夠或多或少代表處理集成的先進(jìn)辦法。

Tesla經(jīng)過在電芯的電極處、外殼上新增防火資料和套管，在單體之間堅(jiān)持最小安全間隔，選用墊片堅(jiān)持單體在起火后的間距保持不變，運(yùn)用高效安全閥猜測單體破裂位置，單體安全閥門閥門翻開后即切斷單體與電器的銜接，然后防止單體電芯間的熱量分散和發(fā)作熱失控之后引起的鏈?zhǔn)椒错憽Ｒ黄穑?jīng)過在電池的電極和電池殼的內(nèi)外表之間安置絕熱層，在模組間安置絕緣層，將Pack分區(qū)進(jìn)行維護(hù)，然后隔絕模組間在發(fā)作熱失控發(fā)作后的熱量傳導(dǎo)和失控分散。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)作后最大限度地及時(shí)止損。

4.3熱失控預(yù)案規(guī)劃

關(guān)于熱失控發(fā)作后的預(yù)案規(guī)劃方法多種類,多層面，除了上述的各種集成時(shí)考慮的安全性規(guī)劃外，還有布控冷卻管道為電池冷卻和熱失控自動(dòng)緩和體系啟動(dòng)噴出冷卻液體以消減熱失控發(fā)生的影響；子電堆安全閥門及時(shí)翻開，讓熱失控發(fā)生的高溫氣體及時(shí)排出體系，再由總閥門排出；運(yùn)用內(nèi)置的其他體系吸收熱失控高溫發(fā)生的能量，下降危害……最后，一旦發(fā)作前序手法無法操控的狀況，經(jīng)過，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)作后所帶來的人身傷害。這些規(guī)劃不僅能夠使內(nèi)部熱失控時(shí)的能量及時(shí)消減，也能夠預(yù)見在電池層面完全失去操控后，災(zāi)難性結(jié)果仍在掌控范圍內(nèi)然后從根本上確保運(yùn)用者的人身安全。

5.電池的亂用

即便鋰離子電池在如前所述的制作集成進(jìn)程中都完美無瑕，在用戶實(shí)踐運(yùn)用的工況中，也難以防止亂用的狀況。充放電制度（過充過放），環(huán)境溫度（熱箱），其他亂用（針刺，揉捏，內(nèi)短路）等，加上新國標(biāo)新增的環(huán)境濕度（海水浸泡）都是由于亂用問題而構(gòu)成安全性問題的原因。過充會(huì)構(gòu)成正極活性資料晶體塌陷，鋰離子脫嵌通道受阻，然后使內(nèi)阻急劇升高，發(fā)生大量焦耳熱，一起也會(huì)使負(fù)極活性資料嵌鋰能力下降而發(fā)生鋰支晶構(gòu)成短路的結(jié)果。環(huán)境溫度過熱會(huì)構(gòu)成鋰離子電池內(nèi)部一系列鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反響，包含隔閡的熔解，正/負(fù)極活性資料與電解質(zhì)的反響，正極/SEI膜/溶劑分解，嵌鋰負(fù)極與粘結(jié)劑的反響等。針刺/揉捏都是在部分構(gòu)成內(nèi)短路，和內(nèi)短路相同在短路區(qū)聚集大量熱而構(gòu)成熱失控的結(jié)果。