電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
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鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
鋰電池的安全性歸根究竟一句話，就是來自于電池的熱失控。鋰電池除了正常的充放電反應外，還存在潛在的副反應。當電池溫度過高或者充電電壓過高的時候，這些副反應就會被引發，并釋放大量熱量。倘若熱量得不到及時疏散，還會引起電池溫度和壓力的急劇上升，形成惡性循環，最后導致熱失控，造成安全事故。
不幸的是，從鋰電反應機理而言，單體電池的熱失控隱患是無法根除的，只能通過諸如熱控制技術（PTC電極）、正負極表面陶瓷涂層、過充保護添加劑、電壓敏感隔膜以及阻燃性電解液等等技術的綜合性使用來無限改善單體電芯的安全性能，但無法真正根除。
有關電芯層面的鋰電安全性，武漢大學教授艾新平做了非常全面的分解，從熱失控過程來看，發生熱失控最早的一個反應是負極表面SEI膜的分析，由于負極成份及添加劑的不同，SEI膜的分析分度大概在120-140℃，發生分析以后，負極裸露在電解液中，并發生劇烈的還原分析，放出大量的可燃性氣體和熱量，促使電池的溫度進一步上升，直至正極發生分析。
正極發生分析時，溫度大概在180-200℃，此時電芯的副反應就很難控制了，因為正極分析時不僅僅釋放大量的熱量，還會出現活性極高的氧原子，導致電解液筆直氧化分析，短時間內會造成電池內部大量的熱量積累。
值得一提的是，溫度和副反應的關系是相輔相成的正相關，即溫度越高，副反應越劇烈；副反應越劇烈，溫度也就越高。這樣的惡性循環最后會導致電池進入一個沒法控制的自加溫狀態，也就是所謂的熱失控。
業內常說的磷酸鐵鋰安全性好，就是因為它作為正極在200-400℃的時候基本不發生分析，但正極的產熱只是副反應的一部分，負極和電解液的氧化分析依然存在，所以磷酸鐵鋰的安全性只是相對三元而言略微安全一些而已。三元材料依據組成成份的不同，分析溫度有所變化，鎳占比越高，熱分析溫度越低，比如當鎳含量達到0.8，在120度左右就開始發生熱分析，甚至早于負極的SEI膜，這對電池的溫控造成了極大的挑戰。
電池熱失控，究其原由還是內部出現了短路和過充的現象。比如涂層，電解液分布不均、電極間距不均會引起電流分布不均從而導致局部過充；在循環過程中正極性能衰竭過快，也會導致過充；另外BMS死機或者功能障礙、充電繼電器不能正常工作，這些都會導致過充。內部短路同樣復雜，電解液分布不均導致局部析鋰；正極材料中的金屬雜質，氧化后在負極表面還愿；充放電的反復體積變化等等因素都是短路的隱患。同時，我們無法在工藝層面保證清除所有的安全隱患，就像世間不會有兩片相同的葉子相同。
鋰電池副反應的安全性隱患是其電化學體系所決定的，并伴隨電池比能量提高而變得愈加嚴重，即便再出色的電池管理系統（BMS）也無法從根本上處理鋰離子動力鋰離子電池的安全性問題。同濟大學教授葉際平也在演講中表示，BMS一個很大的問題就是不能像腦神經跟器官一般知道冷暖自如，BMS能夠控制電池，但是電池里面的材料變化它無法反饋到BMS里面去。
要怎么樣提升單體電芯的安全性能？
盡管鋰電安全無法根治，但卻是可控可防的，正確面對并積極探索一些新的安全性技術，將有利于促使電池技術進步，比如提高材料/界面熱穩定性，開發單體自激發熱保護技術，以及系統熱擴展防范技術，就可以有效改善電池系統的安全性。以下為艾新平教授在電芯安全層面的研究，可供讀者參考。
表面包覆。正極的熱分析和它引起的析氧緊要在于它和界面（電解液）的反應，于是我們可以在正極活性表面包覆熱穩定的保護層。比如在高鎳的正極表面包覆磷酸膜或者磷酸鋰以后，可以減少高鎳材料與電解液的筆直接觸，從而降低副反應的強度和產熱。常見的包覆材料包括磷酸鹽、氧化物、氟化物，也可以是一些聚合物。
構建濃度梯度。高鎳正極的不安全，除了本身的熱穩定性不好以外，更緊要的是鎳對電解液的氧化分析用途非常強，而材料本身的放熱量并不是那么大，但是加上電解液以后，它的產熱溫度和產熱量是急劇提高的，原由就是電解液的界面反應占了很大的部分。倘若我們將高鎳作為核，用一些低鎳含量的材料作為殼，讓它內外有一個濃度梯度，這樣就有助于降低這個材料界面的反應活性，提高電池安全性。
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