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未来能源新趋势:锂离子电池


锂电子电池在使用的过程中,最让人担心的并不是容量的衰降,而是使用过程中存在的安全问题,比如起火爆炸。

在锂离子电池安全事件中,2013年波音公司多的787梦想客机因锂离子电池的起火事件无疑是最引人注目的事件了。作为波音公司最新型号的飞机,787梦想客机采用了大量的锂离子电池,也正是这些锂离子电池导致了日本航空公司运营的787客机发生起火事故。事故原因调查结果显示是因锂离子电池自身的原因造成的,并不存在外部短路等因素。

针对锂离子电池的安全性问题,多种用以提高锂离子电池安全性的方法被研发出来。其中,最重要的就是电池控制系统(BMS)。

针对二次电池存在的一些缺点,例如寿命短、存储能量少、使用安全性、串并联使用问题、电池电量估算困难等问题BMS系统可以避免电池出现过度放电过度充电,延长电池的使用寿命,监控电池的状态。BMS使用大大提高了锂离子电池的安全性,在电池使用过程中,电池电压降至限制电压时,可以及时切断对外供电,避免电池过度放电,损耗电池的寿命;在电池充电到限制电压时,BMS可以及时切断电源,避免电池过充。

经过多年的发展与运用,锂离子电池隔膜除了可以起到隔开正负极的作用之外,还承担着优化锂离子电池安全性能的重担。比如三层PP/PE隔膜,不仅可以作为PE隔膜在电池出现热失控电池温度上升至130℃左右的时候,位于中间层的PE隔膜发生融化,而两侧的PP隔膜因熔点较高,将保持形状起到支撑的作用。融化的PE隔膜会堵塞PP隔膜上的微孔,从而直接阻断正负极,使放电停止,从而抑制热失控。而最近兴起的陶瓷涂层隔膜,则是在传统隔膜的基底上涂布一层金属氧化物,比如氧化铝,氧化镁等当电池发生热失控时,产生的高温可能导致隔膜基底发生融化,但是由于陶瓷涂层的支撑作用,使隔膜不会发生收缩变形,从而避免正负极直接接触发生短路,引起电池起火爆炸。

这些都是辅助措施,期望的是电池采用安全的电化学体系,本质上来说安全的电池才是可靠的。最常用的LCO/C体系,出现热失控的温度为159℃,当采用该体系的锂离子电池的温度超过159℃时,电池的产热速率将高于散热速率,使电池温度持续上升。最终SEI膜分解,正极中钴酸锂材料发生分解,并产生氧气,氧气与电解液发生燃烧反应,产生更多热量,促使进一步分解钴酸锂,造成恶性循环,最终导致电池起火爆炸。电池安全性最高的为LFP/LTO电池超过200℃才会发生热失控,即便发生热失控,LFP材料由于其稳定的橄榄石结构,也不会释放出氧气与电解液反应。其次为LPF/CNMC/C体系锂离子电池,其发生热失控的温度达到了195℃。其中磷酸铁锂电池发生热失控的主要原因在于温度过高导致电池隔膜融化,造成正负极直接接触,在整个热失控的过程中,磷酸铁锂均不会发生分解,如果采用耐高温的全陶瓷隔膜,磷酸铁锂的热失控温度会进一步提高。

磷酸铁锂是一种安全性极好的正极材料从安全和成本的角度考虑,磷酸铁锂是最适合应用在新能源汽车领域的锂离子电池材料。随着我国新能源汽车的逐步发展,磷酸铁锂材料将迎来广阔的发展空间。



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