“鋰離子電池安全與否，歸根到底取決于電池能否避免熱失控。”武漢大學(xué)教授艾新平介紹，在鋰電池中，除了我們熟知的正常充放電反應(yīng)外，還存在著潛在的負(fù)反應(yīng)。在電池的正常溫度和正常電壓范圍內(nèi)，不會發(fā)生這些負(fù)反應(yīng)；但當(dāng)電池溫度過高或充電電壓過高時(shí)，比如碰撞、短路和過充，這些負(fù)反應(yīng)就會被引發(fā)。此時(shí)電池內(nèi)的熱量如果得不到及時(shí)疏散，就會引起電池內(nèi)溫度和壓力急劇上升。

“溫度越高，電池負(fù)反應(yīng)的反應(yīng)速度就越大，最終導(dǎo)致電池進(jìn)入一個(gè)無法控制的自加溫狀態(tài)，也即熱失控狀態(tài)。它是導(dǎo)致電池發(fā)生爆炸和燃燒的主因。”艾新平進(jìn)一步解釋。

“在電池正常放電的情況下，我們通過測量不同充放電倍率下的物理產(chǎn)熱現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)電池運(yùn)作所產(chǎn)生的熱量如果不及時(shí)導(dǎo)送出去，就會使電池體系溫度升高，引起電池的化學(xué)反應(yīng)，最后造成電池的失控。”中國科技大學(xué)教授孫金華對此持相同觀點(diǎn)。

據(jù)了解，目前市面上能被工業(yè)化應(yīng)用的電池種類主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元等，其主要區(qū)別就在于所使用的正極材料不同。“采用不同的正極材料，鋰離子電池的安全性就不同。”艾新平解釋，這是由于正極在電池中所占的質(zhì)量比是最大的，常規(guī)來說放熱量也是最大，“因此正極材料的選擇對電池的安全性影響非常大。”

三個(gè)層面進(jìn)行熱管理

“要提高電池的安全性，需從三個(gè)層面入手。一是材料層面，二是單體層面，第三個(gè)層面是系統(tǒng)層面。”艾新平介紹，在材料層面，要重點(diǎn)提高材料和界面的熱穩(wěn)定性，降低其產(chǎn)熱量；在單體層面，除優(yōu)化電池?zé)嵩O(shè)計(jì)外，更重要的是發(fā)展熱保護(hù)技術(shù)，如PTC電極、熱關(guān)閉隔膜等；在系統(tǒng)層面，則需重點(diǎn)開展隔熱設(shè)計(jì)，防止熱擴(kuò)展。

研究表明，在對電池系統(tǒng)的熱分析中，磷酸鐵鋰的熱穩(wěn)定性從材料上來講是最好的。“電池的安全性首先取決于自身材料的安全性。”上海交通大學(xué)特聘教授馬紫峰指出，要增加電池的安全性，高能量的電池就可能需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中加入特定的保護(hù)裝置，比如說冷卻系統(tǒng)、防爆系統(tǒng)等。

在單體層面，除了常規(guī)的熱安全設(shè)計(jì)外，更重要的是要建立單體自激發(fā)熱保護(hù)。“讓單體能根據(jù)自身感受的溫度，調(diào)整自己的電流輸出或功率輸出。電池如果可以關(guān)閉反應(yīng)，其產(chǎn)熱也就終止了。”艾新平指出，PTC熱敏電阻材料的一個(gè)重要特征就是溫度升高到一定程度時(shí)，該材料就會從一個(gè)良好的導(dǎo)電態(tài)變成絕緣態(tài)，這將是單體熱保護(hù)技術(shù)中的重要路徑之一。

除材料和單體的影響，系統(tǒng)也是電池安全性熱管理中不可缺失的一環(huán)。“在系統(tǒng)中，對電池狀態(tài)的估計(jì)非常重要，要用數(shù)學(xué)模型將其精確描述出來，并與電池的模型中的材料化學(xué)體系對應(yīng)起來。”馬紫峰表示。

“提高材料或界面的熱穩(wěn)定性，開發(fā)單體自激發(fā)熱保護(hù)技術(shù)，以及系統(tǒng)熱擴(kuò)展防范技術(shù)，可有效改善電池系統(tǒng)的安全性，未來需加強(qiáng)研究。”艾新平表示，電池的安全性問題將伴隨電池比能量提高而變得愈加嚴(yán)峻，但不應(yīng)由此否定動力電池技術(shù)路線和發(fā)展趨勢，正確面對并積極探索一些新的安全性技術(shù)，以促進(jìn)電池技術(shù)進(jìn)步。