zaizhexiehuanjiezhong，chuxianzhizaowuchahelanyonggongkuangshiwulunruheyenanyibimiande，suoyizaizhegexianshitiaojianxia，duidianchifashengreshikongdeyuanshejijiuxiandeyouqizhongyao。benwentongguoduililizidonglidianchianquanxingnengyingxiangyinsudeshulizongjie，yiqiweiqizaigaonengliang/高功率領域的應用和研究提供可靠的依據。

 

 

鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)因(yin)為(wei)其(qi)具(ju)備(bei)高(gao)能(neng)量(liang)密(mi)度(du)，高(gao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)和(he)長(chang)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)的(de)特(te)點(dian)，在(zai)化(hua)學(xue)儲(chu)能(neng)器(qi)件(jian)中(zhong)脫(tuo)穎(ying)而(er)出(chu)，現(xian)在(zai)在(zai)便(bian)攜(xie)式(shi)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)領(ling)域(yu)已(yi)經(jing)技(ji)術(shu)成(cheng)熟(shu)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)了(le)，如(ru)今(jin)在(zai)國(guo)家(jia)的(de)政(zheng)策(ce)支(zhi)持(chi)下(xia)，在(zai)電(dian)動(dong)車(che)領(ling)域(yu)和(he)大(da)規(gui)模(mo)儲(chu)能(neng)領(ling)域(yu)的(de)需(xu)求(qiu)量(liang)也(ye)呈(cheng)爆(bao)發(fa)式(shi)的(de)增(zeng)長(chang)。

 

鋰離子電池在通常情況下是安全的，但是
，時有安全性事故的報道呈現在公眾麵前。比較著名的有近幾年的波音公司737 和B787飛機電池著火，比亞迪電動車起火，特斯拉MODEL S起火…這些鋰離子電池安全性事故進入公眾視野的最早時間可以追溯到4、5年以前。發展到現在，安全性仍然是製約鋰離子電池在高能量/高功率領域應用的關鍵性因素。熱失控不僅是發生安全性問題的本質原因，也是製約鋰離子電池性能表現的短板之一。

 

鋰離子電池的潛在安全性問題很大程度上影響了消費者的信心。雖然人們一直期待BMS能夠準確地監控安全狀況（SOS）並能預測和阻止一些故障的發生, 但(dan)是(shi)，由(you)於(yu)熱(re)失(shi)控(kong)的(de)情(qing)況(kuang)複(fu)雜(za)多(duo)樣(yang)，很(hen)難(nan)由(you)一(yi)種(zhong)技(ji)術(shu)係(xi)統(tong)保(bao)障(zhang)其(qi)生(sheng)命(ming)周(zhou)期(qi)中(zhong)所(suo)麵(mian)臨(lin)的(de)所(suo)有(you)安(an)全(quan)狀(zhuang)況(kuang)，所(suo)以(yi)，對(dui)其(qi)引(yin)發(fa)原(yuan)因(yin)的(de)分(fen)析(xi)和(he)研(yan)究(jiu)對(dui)一(yi)個(ge)安(an)全(quan)可(ke)靠(kao)的(de)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)來(lai)說(shuo)仍(reng)然(ran)是(shi)必(bi)要(yao)的(de)。

 

 

 

鋰離子電池的內部組成主要為正極｜電解質｜隔膜｜電解質｜負fu極ji，在zai此ci基ji礎chu上shang再zai進jin行xing極ji耳er的de焊han接jie，外wai包bao裝zhuang的de包bao裹guo等deng步bu驟zhou最zui終zhong形xing成cheng一yi隻zhi完wan整zheng的de電dian芯xin。電dian芯xin再zai經jing過guo初chu始shi的de充chong放fang電dian，化hua成cheng分fen容rong排pai氣qi等deng步bu驟zhou以yi後hou，就jiu可ke以yi出chu廠chang使shi用yong了le。這zhe個ge過guo程cheng的de第di一yi步bu，是shi材cai料liao的de選xuan擇ze。影ying響xiang材cai料liao的de安an全quan性xing因yin素su主zhu要yao是shi其qi本ben征zheng的de軌gui道dao能neng量liang、晶體結構和材料的性狀。

 

 

正(zheng)極(ji)活(huo)性(xing)材(cai)料(liao)在(zai)電(dian)池(chi)中(zhong)的(de)主(zhu)要(yao)作(zuo)用(yong)是(shi)貢(gong)獻(xian)比(bi)容(rong)量(liang)和(he)比(bi)能(neng)量(liang)


，其(qi)本(ben)征(zheng)電(dian)極(ji)電(dian)勢(shi)對(dui)安(an)全(quan)性(xing)有(you)一(yi)定(ding)的(de)影(ying)響(xiang)。例(li)如(ru)，近(jin)年(nian)來(lai)，中(zhong)國(guo)已(yi)經(jing)將(jiang)低(di)電(dian)壓(ya)材(cai)料(liao)LiFePO4（磷酸鐵鋰）作為動力電池的正極材料廣泛應用於交通工具（例如混合式動力車HEV,電動車 EV）和儲能設備（例如 不間斷電源UPS）中，但是LiFePO4在眾多材料中所展現出來的安全性優勢實際是以犧牲能量密度為代價的，也就是說會製約其使用者（如EV,UPS）的續航能力。而像NMC (LiNixMnyCo1-x-yO2)dengsanyuancailiaosuiranzainengliangmidushangbiaoxianyouyi，danshizuoweidonglidianchidelixiangzhengjicailiao
，anquanxingwentiyizhidebudaowanshandejiejue。weileyanjiuzhengjicailiaoderexingwei，yanjiuzhemendouzuolehenduogongzuo，faxianbenzhengdianjidianshihejingtijiegoushiyingxiangqianquanxingdezhuyaoyinsu，rudianjidianweiμC和電解液的電化學窗口最高占據軌道HOMO是否完美匹配，晶格中能否順利同時通過多個鋰離子……通過對材料種類的選擇和元素的摻雜可以增強正極活性材料的安全性能。

 

 

負極活性材料對安全性能的影響主要來自於其本征的軌道能量和電解質LUMO,HOMO的配置關係。在快充的過程中，鋰離子通過SEI（固態電解質界麵）膜mo的de速su度du可ke能neng比bi鋰li在zai負fu極ji的de沉chen積ji速su度du慢man，鋰li的de支zhi晶jing會hui隨sui著zhe充chong放fang電dian循xun環huan而er不bu斷duan生sheng長chang
，可ke能neng導dao致zhi內nei短duan路lu而er引yin燃ran可ke燃ran性xing的de電dian解jie質zhi發fa生sheng熱re失shi控kong，這zhe一yi特te性xing限xian製zhi了le負fu極ji在zai快kuai充chong過guo程cheng中zhong的de安an全quan性xing。隻zhi有you在zai以yi含han碳tan材cai料liao作zuo為wei緩huan衝chong層ceng的de鋰li合he金jin的de負fu極ji電dian動dong勢shi和he鋰li的de電dian動dong勢shi之zhi差cha小xiao於yu-0.7Ev，即μA <μLi0.7 eV的情況下，才能保證鋰的沉積不會造成短路。出於安全性的考慮，動力電池應采用電動勢小於1.0eV（相對於Li+/Li0）的負極材料實現安全的快充或者能夠實現將充電電壓控製在遠低於鋰的沉積電位的範圍內。Li4Ti5O12在快充和快放領域有安全性的優勢，原因是其電動勢為1.5eV（相對於Li+/Li0），低於電解質的LUMO。還有一種負極材料Ti0.9Nb0.1Nb2O7，它可以在1.3≤V≤1.6V （相對於 Li+/Li0）的電壓下快速充放30周以上，並且擁有300mAhg1的比容量，高於LTO。在放電的過程中因為不存在鋰離子通過SEI膜和在負極上沉積的速度競爭，所以快放過程是安全的。

 

電解質和隔膜對安全性的影響主要是其性狀。

 

目前廣泛使用的商用電解質的可燃性和液體狀態對安全性來講不是特別理想的選擇。如果采用鋰離子電導率σLi+>104 Scm1的(de)固(gu)態(tai)電(dian)解(jie)質(zhi)，就(jiu)可(ke)以(yi)一(yi)方(fang)麵(mian)阻(zu)止(zhi)鋰(li)支(zhi)晶(jing)刺(ci)破(po)隔(ge)膜(mo)到(dao)達(da)正(zheng)極(ji)從(cong)而(er)解(jie)決(jue)安(an)全(quan)性(xing)問(wen)題(ti)
，另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)也(ye)可(ke)以(yi)解(jie)決(jue)負(fu)極(ji)與(yu)碳(tan)酸(suan)鹽(yan)電(dian)解(jie)質(zhi)接(jie)觸(chu)和(he)正(zheng)極(ji)與(yu)水(shui)性(xing)電(dian)解(jie)液(ye)接(jie)觸(chu)時(shi)產(chan)生(sheng)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)問(wen)題(ti)。當(dang)然(ran)，通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)擁(yong)有(you)更(geng)寬(kuan)的(de)電(dian)化(hua)學(xue)窗(chuang)口(kou)（尤其是LUMO更高）的電解液，在電解質裏添加一些阻燃材料，將混合的離子液體和有機液體電解質改性成為不易燃的電解液（與此同時離子傳導率σLi也不會降低太多）等手段也可以有效地提高安全性。

 

隔膜的機械強度（抗拉伸和穿刺強度）、孔隙率和是否具備關閉功能是決定其安全性的重要依據。

 

 

從電極的配料開始，要經過一係列的如攪拌
、拉漿、裁片、刮粉、刷粉、對輥
、極耳鉚接
、焊接連片、貼膠紙、測試、化(hua)成(cheng)等(deng)步(bu)驟(zhou)。在(zai)這(zhe)一(yi)係(xi)列(lie)的(de)流(liu)程(cheng)中(zhong)，即(ji)使(shi)所(suo)有(you)步(bu)驟(zhou)都(dou)已(yi)經(jing)完(wan)成(cheng)，仍(reng)有(you)可(ke)能(neng)因(yin)為(wei)工(gong)作(zuo)不(bu)到(dao)位(wei)而(er)導(dao)致(zhi)電(dian)池(chi)內(nei)阻(zu)升(sheng)高(gao)或(huo)短(duan)路(lu)而(er)形(xing)成(cheng)安(an)全(quan)性(xing)問(wen)題(ti)的(de)隱(yin)患(huan)。如(ru)：焊接過程中產生虛焊（正/負極片與極耳間，正極極片與蓋帽間
，負極極片與殼間，鉚釘與接觸內阻大等），liaochen，gemozhitaixiaohuoweidianhao
，gemoyoudong，maociweiqingliganjingdeng。zhengfujiderongliangpeibicuowuyekenenghuidaozhidaliangjinshulizaifujibiaomianchenji
，jiangliaojunyunxingbugouyehuidaozhihuoxingkeliwufenbubujun，zaochengchongfangdianfujitijibianhuadaerxili，congeryingxiangqianquanxingneng。ciwai
，huachengbuzhouzhongSEI膜的生成質量也直接決定了電池的循環性能和安全性能，影響其嵌鋰穩定性和熱穩定性。影響SEI膜的因素包括負極碳材料、電解質和溶劑的類別，化成時的電流密度
，溫度及壓力等參數的設定
，通過對材料的適當選擇
，化成工藝的參數調整，可以提高生成SEI膜的質量，從而提高電芯的安全性能。

 

 

電池管理係統（BMS）在動力電池的使用中被寄予解決關鍵問題的厚望。管理係統需要管理電池及其一致性，使其在不同條件下（溫度，海拔高度，最大倍率，電荷狀態，循環壽命……）獲得最大的能量儲存、往返效率和安全性。BMS包括一些通用的模塊：數據采集器，通訊單元和電池狀態（SOC,SOC,SOP……）評估模型。隨著動力電池的發展，對BMS的管理能力要求也更多更嚴苛。增加了比如熱量管理模塊，高壓監控模塊……通過這些安全性模塊的增加，可望改善動力電池在使用過程中的安全可靠性。

 

 

電池發生熱失控後會引發冒煙
、起火、爆炸等具有破壞性的行為，危害到使用者的人身安全。即使選用理論上最安全的配置方式

，也不足以讓人高枕無憂。如選用LiFePO4 和Li4Ti5O12做成安全而適用於快速充放電電池的正極和負極材料，他們的電動勢都位於電解質的電化學窗口內，也不再需要SEI 膜。但是，即是這樣也會因為氧化還原電對會出現在陰離子的P軌道頂部或者和陽離子的4Sguidaofashengjiaodieerbuzuyiyingfugaidianjizaiyixiegongkuangxiadegongzuoqingkuang。zaihelidedianxinshejihezhizaoyewufabimianshiyonggongkuangzhongdeyiwaiqingkuangfasheng
，zhiyouhelidedianchibaojichengshejicaikeyirangdianduizaidianxinchuwentideqingkuangxiajishizhisun。

 

如前所述
，電池的安全性和續航能力在材料的層麵是一對互相矛盾的結果。為了解決安全性和續航能力的平衡問題，Tesla Motors Co.Ltd 率先做出了典範給了我們很好的啟示。特斯拉的Model S 使用了鬆下公司（Panasonic Co.Ltd）的高能量密度的NCR18650A型電池，在一個電堆中使用了7000多節電芯。這本是一個發生熱失控幾率很高的組合方式
，但通過對電堆集成及其BMS的設計
，使用了很多創新性專利
，使Model S 在實際使用過程中發生安全事故的幾率大大降低。以特斯拉的公開專利為例，其中對單體安全性能、模組module安全性能和電池pack總成安全性能的加強可以或多或少代表解決集成的先進辦法。

 

Tesla通過在電芯的電極處、waikeshangtianjiafanghuocailiaohetaoguan

，zaidantizhijianbaochizuixiaoanquanjuli
，caiyongdianpianbaochidantizaiqihuohoudejianjuweichibubian，shiyonggaoxiaoanquanfayucedantipolieweizhi，dantianquanfamenfamendakaihoujiqieduandantiyudianqidelianjie
，congerfangzhidantidianxinjiandereliangkuosanhefashengreshikongzhihouyinqidelianshifanying。tongshi，tongguozaidianchidedianjihedianchikedeneibiaomianzhijianbuzhijuereceng，zaimozujianbuzhijueyuanceng，jiangPack分(fen)區(qu)進(jin)行(xing)保(bao)護(hu)
，從(cong)而(er)阻(zu)隔(ge)模(mo)組(zu)間(jian)在(zai)發(fa)生(sheng)熱(re)失(shi)控(kong)發(fa)生(sheng)後(hou)的(de)熱(re)量(liang)傳(chuan)導(dao)和(he)失(shi)控(kong)擴(kuo)散(san)。這(zhe)些(xie)措(cuo)施(shi)從(cong)電(dian)芯(xin)到(dao)模(mo)組(zu)的(de)層(ceng)麵(mian)，層(ceng)層(ceng)設(she)防(fang)
，以(yi)期(qi)在(zai)內(nei)部(bu)熱(re)失(shi)控(kong)發(fa)生(sheng)後(hou)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)及(ji)時(shi)止(zhi)損(sun)。

 

對於熱失控發生後的預案設計方式多種類,duocengmian，chuleshangshudegezhongjichengshikaolvdeanquanxingshejiwai
，haiyoubukonglengqueguandaoweidianchilengquehereshikongzhudonghuanhexitongqidongpenchulengqueyetiyixiaojianreshikongchanshengdeyingxiang
；子電堆安全閥門及時打開，讓熱失控產生的高溫氣體及時排出體係，再由總閥門排出；利用內置的其他係統吸收熱失控高溫產生的能量
，降低危害……最後，一旦發生前序手段無法控製的情況，通過
，在pack所在位置的底部加裝防彈板，在乘員艙和pack層ceng之zhi間jian加jia阻zu熱re層ceng以yi最zui大da可ke能neng性xing減jian小xiao熱re失shi控kong發fa生sheng後hou所suo帶dai來lai的de人ren身shen傷shang害hai。這zhe些xie設she計ji不bu僅jin可ke以yi使shi內nei部bu熱re失shi控kong時shi的de能neng量liang及ji時shi消xiao減jian，也ye可ke以yi預yu見jian在zai電dian池chi層ceng麵mian徹che底di失shi去qu控kong製zhi後hou，災zai難nan性xing後hou果guo仍reng在zai掌zhang控kong範fan圍wei內nei從cong而er從cong根gen本ben上shang保bao障zhang使shi用yong者zhe的de人ren身shen安an全quan。

 

即使鋰離子電池在如前所述的製造集成過程中都完美無瑕，在用戶實際使用的工況中，也難以避免濫用的情況。充放電製度（過充過放），環境溫度（熱箱）
，其他濫用（針刺，擠壓

，內短路）等
，加上新國標增加的環境濕度（海水浸泡）doushiyinweilanyongwentierzaochenganquanxingwentideyuanyin。guochonghuizaochengzhengjihuoxingcailiaojingtitaxian，lilizituoqiantongdaoshouzu，congershineizujijushenggao，chanshengdaliangjiaoerre，tongshiyehuishifujihuoxingcailiaoqianlinenglijiangdierchanshenglizhijingzaochengduanludehouguo。huanjingwenduguorehuizaochenglilizidianchineibuyixilielianshihuaxuefanying，baokuogemoderongjie，zheng/負極活性材料與電解質的反應，正極/SEI膜/溶劑分解，嵌鋰負極與粘結劑的反應等。針刺/擠壓都是在局部造成內短路
，和內短路一樣在短路區聚集大量熱而造成熱失控的後果。以上研究已經很多，本文不再一一贅述。

 

 

動(dong)力(li)電(dian)池(chi)的(de)安(an)全(quan)性(xing)能(neng)決(jue)定(ding)了(le)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)在(zai)動(dong)力(li)領(ling)域(yu)的(de)市(shi)場(chang)和(he)未(wei)來(lai)，影(ying)響(xiang)動(dong)力(li)電(dian)池(chi)安(an)全(quan)性(xing)能(neng)的(de)因(yin)素(su)貫(guan)穿(chuan)了(le)一(yi)個(ge)動(dong)力(li)電(dian)池(chi)從(cong)電(dian)芯(xin)選(xuan)材(cai)到(dao)使(shi)用(yong)終(zhong)結(jie)的(de)生(sheng)命(ming)周(zhou)期(qi)的(de)始(shi)終(zhong)
，因(yin)此(ci)原(yuan)因(yin)複(fu)雜(za)多(duo)樣(yang)層(ceng)次(ci)豐(feng)富(fu)。材(cai)料(liao)本(ben)身(shen)的(de)本(ben)征(zheng)軌(gui)道(dao)能(neng)量(liang)，晶(jing)體(ti)結(jie)構(gou)和(he)性(xing)狀(zhuang)決(jue)定(ding)了(le)一(yi)個(ge)電(dian)芯(xin)的(de)本(ben)征(zheng)安(an)全(quan)性(xing)能(neng)；dianxindezhizaoguochengzhongmeiyigegongyihuanjiejingyiqiujingdechengdu，zidonghuachengduhehuachengtiaojianshezhijuedingleqixunhuanxingnengheanquanxingneng，yingxiangqiqianliwendingxingherewendingxing；電池集成中關於BMS和he安an全quan性xing方fang麵mian的de設she計ji可ke以yi切qie實shi地di保bao障zhang電dian池chi的de安an全quan性xing，電dian池chi的de製zhi造zao和he使shi用yong工gong況kuang不bu可ke能neng始shi終zhong處chu於yu理li想xiang狀zhuang態tai，出chu現xian製zhi造zao誤wu差cha和he濫lan用yong工gong況kuang是shi無wu論lun如ru何he也ye難nan以yi避bi免mian的de，在zai這zhe個ge現xian實shi條tiao件jian下xia，對dui電dian池chi發fa生sheng熱re失shi控kong的de各ge種zhong預yu案an設she計ji就jiu顯xian得de尤you其qi重zhong要yao。通tong過guo對dui特te斯si拉la公gong司si公gong開kai的de專zhuan利li的de學xue習xi讓rang我wo們men可ke以yi借jie鑒jian到dao從cong電dian芯xin到dao電dian池chi係xi統tong阻zu止zhi熱re量liang傳chuan遞di防fang止zhi熱re失shi控kong的de鏈lian式shi擴kuo散san的de方fang法fa；使用冷卻噴淋係統，安全閥門內部等設施消耗高熱量以消減熱失控產生的影響；通過對載體的加固設計讓熱失控發生後對人身傷害程度降到最低值。

 

總之，鋰離子動力電池的安全性問題研究任重而道遠，唯有理論結合實際不斷創新
，才能迎來在高能量/高功率應用領域真正意義上的輝煌。



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