鋰電池常用的安全技術詳解

1選用安全系數更高的原材料

選用安全系數更高的正負極活性材料、隔膜材料和電解液。

a）正極材料的選擇

正極材料的安全性緊要基于以下3個方面：

1材料的熱力學穩定性；

2材料的化學穩定性；

3材料的物理性能。

選擇更安全的電極材料，比如選擇錳酸鋰材料，在分子結構方面保證了在滿電狀態，正極的鋰離子已經完全嵌入到負極炭孔中，從根本上戒備了枝晶的出現。同時錳酸鋰穩固的結構，使其氧化性能遠遠低于鈷酸鋰，分析溫度超過鈷酸鋰100℃，即使由于外力發生內部短路（針刺），外部短路，過充電時，也完全能夠戒備了由于析出金屬鋰引發燃燒、爆炸的危險。

另外，采用錳酸鋰材料還可以大幅度降低成本。

b）隔膜材料的選擇

隔膜的緊要用途是將電池的正、負極分隔開，戒備正負極接觸而短路，同時具有使電解質離子通過的能力，即具有電子絕緣性和離子導通性。當溫度升高時，在隔膜熔化前進行封閉，從而使內阻上升至2000歐姆，讓內部反應停止下來。鋰電池選用隔膜時應留意以下幾點：

1具有電子絕緣性，保證正負極的機械隔離；

2有一定的孔徑和孔隙率，保證低的電阻和高的離子電導率；

3隔膜材料具有足夠的化學穩定性，非得耐電解液腐蝕；

4隔膜要有自動關斷保護的功能；

5隔膜的熱收縮率和變形性要盡可能地小；

6隔膜要具有一定的厚度；

7隔膜要具有較強的物理強度并有足夠大的抗穿刺的能力。

c）電解液的選擇

電解液是鋰電池的緊要組成部分，在電池正負極之間起著輸送和傳導電流的用途。鋰電池使用電解液是以適當的鋰鹽溶解在有機非質子混合溶劑中而形成的電解質溶液。它通常應滿足以下幾方面的要求：

1化學穩定性好，與電極活性物質、集流體和隔膜不發生化學反應；

2電化學穩定性好，具有較寬的電化學窗口；

3鋰離子電導率高，電子電導率低；

4液態溫度范圍寬；

5安全無毒，對環境友好。

2增強電芯整體安全性設計

電芯是將電池各種物質組合起來的紐帶，是正極、負極、隔膜、極耳和包裝膜等系統之集成，電芯結構設計，不單影響到各種材料性能的發揮，還對電池的整體電化學性能、安全性能出現緊要的影響。材料的選擇與電芯結構設計正是一種局部與整體的關系，在電芯設計上，應當結合材料特性來制定合理的結構模式。

另外，在鋰電池結構上還可以考慮一些額外的保護裝置，常見的保護機構設計有以下幾種：

1采用開關元件，當電池內的溫度上升時，它的阻值隨之上升，當溫度過高時，會自動停止供電；

2設置安全閥（就是電池頂部的放氣孔），電池內部壓力上升到一定的數值時，安全閥自動打開，保證電池的使用安全性。當內部壓力或溫度達到預置的標準時，防爆閥將打開，開始進行卸壓，以戒備內部氣體積累過多，發生形變，最終導致殼體爆裂。

下面對電芯結構的安全設計提出一些實例：

a）正負極容量比和設計大小片

依據正負極材料的特性來選擇適宜的正負極容量比，電芯的正負極容量的配比是關系到鋰電池安全性的緊要環節，正極容量過大將會出現金屬鋰在負極表面沉積，而負極過大電池的容量會有較大的損失。一般而言，N/P=1.05～1.15，并依據實際的電池容量和安全性要求進行適當的選擇。設計大小片，使負極膏體（活性物質）位置包住（大于）正極膏體位置，一般寬度應大1～5mm，長度應大5～10mm。

b）隔膜寬度留有余量

隔膜寬度設計的總體原則是戒備正負極片筆直接觸而發生內部短路，由于電池在充放電過程中和熱沖擊等環境下，隔膜的熱收縮性導致隔膜在長度和寬度方向上發生變形，隔膜褶皺的區域由于正負極間的距離增大，致使極化增大；隔膜拉伸的區域由于隔膜變薄而使微短路的可能性加大；隔膜邊緣區域的收縮則可能導致正負極筆直接觸而發生內短路，這些都會使電池因熱失控而發生危險。因此，在設計電池時，在隔膜的面積和寬度的使用上非得考慮其收縮特性，隔離膜要比陽極、陰極大。考慮在工藝誤差外，隔離膜非得比極片外邊長至少0.1mm。

c）絕緣解決

內短路是鋰電池存在安全性隱患的緊要因素，在電芯的結構設計中存在很多引發內短路的潛在危險部位，因此應當在這些關鍵位置設置必要的措施或者絕緣，以戒備在異常情況下發生電池內短路，比如：正負極耳間保持必要的間距；收尾單面中間無膏體位需貼絕緣膠帶，并將裸露部分全部包住；正極鋁箔和負極活性物質之間貼絕緣膠帶；使用絕緣膠帶將極耳焊接部分全部包住；電芯頂部采用絕緣膠帶等。

d）設置安全閥（泄壓裝置）

鋰電池發生危險，經常是因為內部溫度過高或壓力過大而引發爆炸、起火；設置合理的泄壓裝置，能在危險發生時迅速釋放電池內部的壓力和熱量，減少爆炸危險。合理的泄壓裝置要求既能滿足電池正常工作時的內壓又能在內壓達到危險極限的時候自動打開而泄放壓力，泄壓裝置的設置位置要考慮電池外殼因內壓增大所出現形變的特性來設計；安全閥的設計可以通過薄片、邊緣、接縫和刻痕等來實現。

3提高工藝水平

努力做好電芯加工過程中的標準化和規范化。在混料、涂布、烘烤、壓實、分切和卷繞等步驟中，制定標準化（如隔膜寬度、電解液注液量等），改進工藝手段（如低氣壓注液法、離心裝殼法等），做好工藝控制，保證工藝質量，縮小產品間的差異；在對安全有影響到關鍵步驟設置特殊工步（如去極片毛刺、掃粉、對不同的材料采用不同的焊接辦法等），執行標準化質量監控，消除缺陷部位，排除有缺陷產品（如極片變形、隔膜刺破、活性材料脫落和電解液泄漏等）；保持加工場所的整齊、清潔，執行5S管理和6-sigma質量控制，戒備加工中混入雜質和水分，盡量減少加工中的意外情況對安全性的影響。

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