新能源汽車動力電池的安全（quán）性及解（jiě）決（jué）方法

    在新能源汽車發（fā）展（zhǎn）過程中，除價格高、續駛裏程短和充換電基礎設施（shī）不足外，動力安全性是消費者（zhě）和專業人士關注的重點。這個問（wèn）題也影響到了動力電池比能量的提升。

    “發（fā）展防短路、防過充、防熱失（shī）控、防（fáng）燃燒及（jí）不燃性電解液（yè）是應對動力電（diàn）池安全性的關鍵。”武漢大學艾新（xīn）平教授在上海舉行的第14屆中國國際工業博覽會新能源汽車產業發展高峰論壇上強調。

鋰離子動（dòng）力電池不安全行（háng）為的發生機製

    艾新平分析指出，鋰離子動力（lì）電池除了正常的充（chōng）放電反應外（wài），還存在很多潛（qián）在的放熱副反（fǎn）應。當（dāng）電池溫度或充電電壓過高時，很容易引（yǐn）發這些放熱副反（fǎn）應。

主（zhǔ）要的過熱（rè）副反應包括:
1.SEI膜在溫度高於130℃時分解，使電解（jiě）液在裸露（lù）的高活性碳（tàn）負極表麵大量還原分解放熱，導（dǎo）致電池溫度升高。這（zhè）是引發電池熱失控的根本原因（yīn）。
2.充電態正極的熱（rè）分（fèn）解（jiě）放熱，及進一步由活性氧引發的電解液（yè）分解，加劇了電池內部的熱量積累，促進了熱失控（kòng）。

3.電解質的熱分解導致電解（jiě）液分解放熱，加（jiā）快了電池溫（wēn）升。

4.粘（zhān）結劑與高活性負極的反應。LixC6與PVDF反應的起始溫度約為240℃，峰值290℃，反應熱為1500J/g。

    主要的過充副反應為，有機電解液氧化分解（jiě），產（chǎn）生有機小分子氣體,導致電池內壓增（zēng）大，溫度升高。

    當放熱副反應的產熱速率高（gāo）於動力電池的散熱速率時，電池（chí）內壓及（jí）溫度急劇上升（shēng），進（jìn）入無法控製的（de）自加溫狀態，即熱失控，導致電池燃燒。電池越厚（hòu），容量越大，散熱越（yuè）慢，產熱量越大，越容易引發安全問題。

鋰離子動力電池不安全行為的引發因（yīn）素

    主要包括下述3種情況（kuàng）引起的短路:①隔膜表麵導電粉塵、正負極錯位、極片毛刺和（hé）電解液分布不均等工藝因素;②材料中金屬雜質;③低溫充電、大電流充電、負極性能衰減過快導致負極表麵（miàn）析鋰，振動或（huò）碰撞等應用過（guò）程。

    此外，還有大（dà）電流充電導致（zhì）的局部過充（chōng），極片塗層、電液分（fèn）布不均引（yǐn）起局部過充（chōng），正極性能衰減過快等過充因素。

鋰離子動力電池安全技（jì）術的進展

    電池安全（quán）設計製造、PTC限流裝（zhuāng）置、壓力安全閥、熱封閉隔膜及提高電池材（cái）料的熱穩定性等常規方（fāng）法，有其局限性，隻能在一定程度上（shàng）降（jiàng）低電池不安全（quán）行為（wéi）的發生概率。艾新平強調（diào）:要根本解決，需要研究防（fáng）短（duǎn）路、防過充（chōng）、防熱失控、防燃燒及不燃性（xìng）電解液的新技術，建立電池自激發安全保護機製。

1.防止電池內部短路。陶瓷隔膜和（hé）負極熱阻層等保護塗層（céng）。

2.防過充（chōng）技術。

    ①氧（yǎng）化還原電對（duì）添加劑。在電解液中加入一種氧化還（hái）原電對O/R，當電池過充（chōng）時（shí），R在正極上氧化成O,隨之O擴散至（zhì）負極又還原成（chéng）R。如此內部循環，使充電（diàn）電勢鉗製在安（ān）全（quán）值（zhí），抑製電解液分解及其他電極反應發生。

    二（èr）甲（jiǎ）氧基苯（běn）衍生物具有穩（wěn）定的（de）電壓鉗製能力，但因溶解度低，鉗製（zhì）能力小（xiǎo）於0.5C;電池自放電大。還需在Shuttle分子結（jié）構（gòu）方（fāng）麵進一步研（yán）究。

    可逆過充保護不僅能解決電池的過充電問題，且有利於電池組中單體電池的容量平衡，降低對電池一致（zhì）性的要（yào）求，還能延（yán）長電池使用壽命。

    ②電壓敏感隔膜。在隔膜部分微孔中填充一種電活性聚合（hé）物（wù），在正常充放電電壓區間，隔膜呈絕緣態，隻允許離子（zǐ）傳導;當充電電壓達到控製值時，聚（jù）合物被氧化摻雜成為電子導電態，在正負極間（jiān）形成聚合物導電橋（qiáo），使（shǐ）充電電流旁路，可避免電（diàn）池過充。

3.防止熱失控的技術。

    ①溫度（dù）敏感電極（jí）(PTC電極)。PTC材料在常溫下，分散於聚合物（wù）基質中的導電炭黑接觸良好，可形成良好的電子傳（chuán）輸通道，有（yǒu）較（jiào）高的電子導（dǎo）電性;當溫（wēn）度上升至複合物的居裏轉化溫度時，聚合物基質膨脹，導電炭黑脫（tuō）離接觸，複合物電導急劇下降。

    高溫下，鑲嵌在PTC電極集流體和電極活性物塗層之間的PTC塗層電阻急劇增大，可切斷電流傳輸（shū），終止電池反應（yīng），防（fáng）止電池因（yīn）熱失控引發的安（ān）全問題。

    例如，PTC鈷酸鋰(LiCoO2)電極（jí），實驗（yàn）結果表明，在80~120℃高溫（wēn）下，表現出良好的自激發熱阻斷效果，能防止電池因過充和外部（bù）短路引（yǐn）發的安（ān）全問題。

    但PTC電極對內部短路無能為力。另外，聚（jù）合物PTC材料的溫度響應特性還有待進一步（bù）優化。

    ②熱封閉（bì）電極。在電極或隔膜表麵修飾一層納米球狀熱熔性材料。常溫下，球（qiú）狀顆（kē）粒的堆積形（xíng）成多孔，不影響離子的液相傳輸;當溫度（dù）升高至球體材料的融化溫度時，球體（tǐ）融化成致（zhì）密膜，切（qiē）斷離子（zǐ）傳輸，可終止電池反應（yīng）。

    ③熱固化電池。在電解液中（zhōng）加入一種可以（yǐ）發生熱聚合的單體。當溫度（dù）升高時發生聚（jù）合，使電解液固化，切斷離子傳輸，使電（diàn）池反應終（zhōng）止。例如，實驗表明，BMI電解液添加劑對電池充放電基本沒有影響，高溫下（xià），BMI可抑製電池充放電。

4.防止電（diàn）池燃燒（shāo）的不燃性電解液。有機磷酸酯具有高阻燃、對電解質鹽較強溶解能（néng）力的特性。例如，DMMP(二甲氧（yǎng）基甲基磷酸酯):低粘度(cP~1.75,25℃)，低熔點、高沸點(-50~181℃)，強阻（zǔ）燃(P-content:25%)，鋰鹽溶解度高（gāo）。

    不過（guò），阻燃溶劑在（zài）應用中存（cún）在下述問題:與負極匹配性較差（chà），電池（chí）充放電庫倫效率低。因此，需要尋找匹配的成膜（mó）添加劑。

動力電池商用化中應注意的安（ān）全問題

    對鋰離（lí）子動力電池的安（ān）全性，艾新平認為，首先，由於正極材料的熱分解隻是熱失控反應（yīng）的一部分（fèn），因此從理論上看，磷酸鐵鋰電池並非絕對安全，大（dà）容量電池裝車時要慎重。

    其次，由於電池（chí）檢測的概率，通過（guò）安全性檢測的動力電池不能證明是絕對安全的。嚴格起見，應檢測全充放循環一定周次後的電（diàn）池;經曆低溫充電後的（de）電池;對電池模塊和電池組進行安全測試。

    還有，在電池使用過程中，整車廠商盡可能將動力電池（chí）的環境溫度控製在（zài）20~45℃範圍，這樣（yàng）既能有效（xiào）提高（gāo）電池使用壽命和可靠性，還能避免低（dī）溫析鋰造成的短路和高溫熱失控問（wèn）題。