鋰離子電池燃燒或爆炸的原因
鋰離子電池以其高比能量、較高的工作電壓、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)已成為移動(dòng)通訊、筆記本電腦等便攜式電子產(chǎn)品的主要電源之一。然而,鋰離子電池在充放電過(guò)程中由于使用不當(dāng),會(huì)出現(xiàn)鼓脹燃燒或爆炸的危險(xiǎn);特別是在濫用條件下(如受熱、過(guò)充、短路、振動(dòng)、擠壓等),電池會(huì)出現(xiàn)燃燒、爆炸乃至人員受傷等情況。因此,研究鋰離子電池的爆炸機(jī)理對(duì)提高鋰離子電池的安全性有重要的意義。
鋰離子電池燃燒或爆炸的可能性主要如下:
一、當(dāng)鋰離子電池受熱時(shí),電池內(nèi)部的反應(yīng)如一個(gè)反應(yīng)鏈,各個(gè)反應(yīng)相互 促進(jìn),依次進(jìn)行。首先是SEI膜分解放出熱量加熱了電池,促使負(fù)極與溶劑的反應(yīng)放出更多的熱量,導(dǎo)致負(fù)極與粘結(jié)劑的反應(yīng)、溶劑分 解,接接著正極開(kāi)始進(jìn)行熱分解反應(yīng),放出大量的熱與氣體,最后導(dǎo) 致電池燃燒或爆炸。
二、在鋰離子電池充電初期,電流通過(guò)電池時(shí)一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能,歐姆極化也產(chǎn)生一部分熱量,但電池表面溫度上升的很慢;當(dāng)電池達(dá)到 全充滿(mǎn)狀態(tài)時(shí),由鋰離子繼續(xù)的嵌入反應(yīng)變成鋰金屬在負(fù)極表面的沉積,溶劑被氧化(由過(guò)充引起的溶劑的氧化反應(yīng)放出的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可逆狀態(tài)下鋰離子與溶劑反應(yīng)放出的熱量)放出的熱量加熱了電池;隨著電池溫度升高,金屬鋰與溶劑反應(yīng)、嵌鋰碳與溶劑反應(yīng)相繼發(fā) 生,熱量失控,同時(shí)伴隨發(fā)生溶劑的分解、粘結(jié)劑與鋰金屬的反應(yīng)。
三、短路、針刺和撞擊對(duì)鋰離子電池造成的危害大致相同。短路時(shí),電流通過(guò)電池的瞬間產(chǎn)生大量的熱,加熱電池,使電池溫度升高到正極分解的溫度,正極熱分解又導(dǎo)致電池?zé)崃渴Э兀会槾趟俣群芸鞎r(shí),在針刺的部位造成局部短路并產(chǎn)生大量的熱,使電池內(nèi)部溫度升高到正極熱分解的溫度;當(dāng)鋰離子電池受到撞擊時(shí),電極上過(guò)電壓損失產(chǎn)生熱量,促使溶劑與負(fù)極的反應(yīng),放出的熱量又進(jìn)一步加熱電池,促使正極熱分解反應(yīng)發(fā)生,導(dǎo)致熱量的失控 。
四、鋰離子電池的設(shè)計(jì)
a正負(fù)極容量比:電池在使用的過(guò)程中,在不同程度都會(huì)有所破壞,那就要求負(fù)極的嵌鋰空間至始至終都要比正極的脫嵌的鋰離子空間大。如在設(shè)計(jì)時(shí),沒(méi)有考慮負(fù)極余量的大小,會(huì)造成析鋰,刺穿隔膜,造成短路。
b尺寸:電池的隔膜收縮與極片的寬度,當(dāng)隔膜收縮過(guò)大,極片會(huì)引起短路。
c放電電流:在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)產(chǎn)品的使用放電電流來(lái)設(shè)計(jì)極片的面密度壓實(shí)極耳類(lèi)型等。當(dāng)面密度過(guò)大,壓實(shí)過(guò)高,極耳截面較小時(shí),大電流放電,會(huì)產(chǎn)生析鋰,產(chǎn)生大量的熱造成電池爆炸。
d防爆結(jié)構(gòu):當(dāng)電池內(nèi)壓達(dá)到一定的壓力時(shí),進(jìn)行排氣減壓的功能防止電池殼體爆炸。目前采用的有刻痕防爆,排氣閥部件。
e保護(hù)系統(tǒng):對(duì)電池進(jìn)行保護(hù)過(guò)充過(guò)放過(guò)流短路。