電動(dòng)汽車用三元鋰電池安全特性探究

余劍

摘?要：闡述了電動(dòng)汽車用鋰動(dòng)力電池的工作過程，結(jié)合三元鋰電池安全性能試驗(yàn)中過充、針刺等試驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)象，分析單體電池破壞的內(nèi)在原因，從三元鋰電池使用的材料、單體電池的結(jié)構(gòu)等方面論述提高三元鋰電池的安全性能的措施，以期在提高三元鋰電池安全性能方面提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：三元鋰電池;安全性能;正極材料

一、緒論

鑒于國家對(duì)環(huán)保和節(jié)能要求的不斷提高，汽車市場中對(duì)低排放或零排放的新能源汽車越來越重視，純電動(dòng)汽車作為新能源汽車一員其續(xù)航里程、安全穩(wěn)定性是亟待解決的問題，整車制造商把精力集中在三元鋰電池新技術(shù)研發(fā)上，而三元電池的安全穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵技術(shù)問題。三元電池安全性能試驗(yàn)中過充、針刺等通過率低，儲(chǔ)存中常發(fā)生爆炸、自燃等問題，所以提高三元電池的安全性是一個(gè)重要的研究內(nèi)容。本文主要從鋰電池工作過程出發(fā)，結(jié)合相關(guān)安全性能試驗(yàn)結(jié)果，揭示三元鋰電池出現(xiàn)安全問題的內(nèi)因，從三元鋰電池使用的材料和單體電池的結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行分析，提出改善措施。

二、電動(dòng)汽車用鋰電池工作過程和特性分析

電動(dòng)汽車用鋰動(dòng)力電池在外接電源進(jìn)行充電時(shí)，正極片周圍的電子在電場的導(dǎo)引下，運(yùn)動(dòng)到負(fù)極材料中與鋰離子結(jié)合，以局部電中性狀態(tài)儲(chǔ)存于負(fù)極石墨縫隙里。在正負(fù)兩極離子濃度差的作用下，正極片材料中的鋰離子通過電解液介質(zhì)透過隔膜，到達(dá)負(fù)極片表面;在電動(dòng)勢(shì)的作用下，擴(kuò)散到鋰電池負(fù)極片內(nèi)部，接觸到外電路電子后，負(fù)極片材料內(nèi)部的局部電中性滯留其中。鋰動(dòng)力電池外接負(fù)載放電過程中，負(fù)極片中的電子向外流動(dòng)，經(jīng)過外部電路運(yùn)動(dòng)到正極片表面，嵌入到正極片材料中，與外電路來的電子結(jié)合。

當(dāng)下電動(dòng)汽車用鋰動(dòng)力電池常見的正極材料類型主要有三元鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰等幾種。三元鋰電池因其正極材料含有鎳鈷錳（Ni、Co、Mn）三種元素而得名，這三種金屬元素的不同配比對(duì)電池的性能產(chǎn)生重要的影響，其中Ni元素，可以提高材料的活性，提高能量密度;Co元素，可以穩(wěn)定材料的分布結(jié)構(gòu)，利于材料的深度放電，提高材料的放電容量;Mn元素，在材料結(jié)構(gòu)中起支撐作用，從而提高電池充放電過程中的穩(wěn)定性。

根據(jù)電動(dòng)汽車用鋰動(dòng)力電池不同正極材料類型分析其特性，可以看出鈷酸鋰電池雖然在能量密度等方面有相對(duì)的優(yōu)勢(shì)，但是安全性能方面無法解決，使用的范圍越來越小。對(duì)于錳酸鋰電池，由于其循環(huán)性能較差、高溫性能表現(xiàn)也較差，目前主要應(yīng)用在低端或低速車輛上?，F(xiàn)在電動(dòng)汽車行業(yè)普遍使用磷酸鐵鋰和三元鋰動(dòng)力電池，結(jié)合本地情況，城市公交（安凱客車）部分使用磷酸鐵鋰電池，純電動(dòng)轎車（江淮、上汽）部分使用三元鋰動(dòng)力電池。

三、三元鋰電池安全性能分析

本文主要結(jié)合方形鋁殼VDA三元鋰電池進(jìn)行分析，方形鋁殼VDA三元鋰電池主要由鋁制殼體、絕緣套、卷芯、蓋板、電解液等組成，其中現(xiàn)使用的電解液是易燃，高溫易產(chǎn)氣的有機(jī)液體，其性能直接影響三元鋰電池的安全性能。本文主要從以下三個(gè)方面對(duì)三元鋰電池安全性進(jìn)行分析。

（1）三元鋰電池生產(chǎn)工藝主要有組裝、烘烤、注液、化成、分容等環(huán)節(jié)，其中組裝過程中極片激光切割中出現(xiàn)毛刺，在卷芯熱壓成型中刺穿隔膜，分容后存在安全隱患。由于方形VDA三元鋰電池分容過程中電解液分解易發(fā)生脹氣使內(nèi)部卷芯變形引起內(nèi)短路，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高產(chǎn)生“熱失控”現(xiàn)象，封閉的殼體內(nèi)部產(chǎn)生大量氣體使電池內(nèi)部溫度和壓力急劇上升，此時(shí)蓋板上泄氣壓閥如果不能正常打開，會(huì)使電池內(nèi)部能量無法釋放，能量積聚引起殼體破裂發(fā)生燃燒爆炸，導(dǎo)致安全問題。

（2）三元鋰電池安全性能試驗(yàn)中的過充試驗(yàn)主要是模擬鋰電池在實(shí)際使用中充電時(shí)間過長，使負(fù)極片材料中鋰離子儲(chǔ)存飽和，過多的鋰離子就會(huì)在負(fù)極材料表面析出，形成的不規(guī)則結(jié)晶狀刺穿隔膜，引起電池內(nèi)短路，發(fā)生“熱失控”，使電解液裂解產(chǎn)氣，導(dǎo)致VDA鋁殼電池變形脹裂，負(fù)極材料的鋰原子和空氣中的氧氣接觸，發(fā)生燃燒爆炸。

（3）三元鋰電池安全性能試驗(yàn)中的針刺項(xiàng)目主要是在試驗(yàn)設(shè)備上用規(guī)定尺寸的鋼針刺穿電池主體，模擬電動(dòng)汽車在發(fā)生交通事故中鋰電池組受到外力擠壓、機(jī)械損傷引起爆燃的安全問題。試驗(yàn)中VDA鋁殼電池在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上被鋼針刺穿引起的電池內(nèi)部短路，發(fā)生“熱失控”，電池內(nèi)部的高溫高壓使電解液裂解燃燒，進(jìn)而發(fā)生爆燃。

通過對(duì)VDA鋁殼方形三元鋰電池試驗(yàn)中安全問題的原因進(jìn)行分析，可以看出三元鋰電池發(fā)生安全問題主要由于三元鋰電池內(nèi)部反應(yīng)導(dǎo)致電池內(nèi)部過熱引起“熱失控”現(xiàn)象的發(fā)生，其中產(chǎn)生過熱的原因包括電池內(nèi)短路、過充、單體電池裝配一致性差、外界對(duì)電池產(chǎn)生損傷等方面。

四、提高三元鋰電池安全性的措施

提高三元鋰電池安全性能可以從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改善，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，主要有以下幾種方法：

（1）在三元鋰電池蓋板結(jié)構(gòu)上設(shè)置翻轉(zhuǎn)片，方形鋁殼VDA電池設(shè)計(jì)時(shí)殼體與正極連接（殼體帶正電），負(fù)極與殼體間用絕緣墊隔離，可以有效防止三元鋰電池過充現(xiàn)象的發(fā)生。原理是過充發(fā)生時(shí)，三元鋰電池內(nèi)部壓力升高使特殊結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)片變形凸出，形成外電路短路，切斷過充電過程。

（2）在三元鋰電池蓋板結(jié)構(gòu)上設(shè)置防爆閥，方形鋁殼VDA電池在發(fā)生機(jī)械損傷時(shí)，電池內(nèi)部熱失控壓力急劇升高，將防爆閥膜片破壞，提前釋放內(nèi)部能量，防止電池因能量積聚發(fā)生爆炸，目前有電池生廠商將防爆閥和特殊產(chǎn)氣電解液組合使用，提高防爆閥動(dòng)作靈敏性。

五、結(jié)語

由于三元鋰電池具有高能量密度、長續(xù)航里程、單體電池電壓平臺(tái)高等特點(diǎn)，所以受到電動(dòng)汽車整車廠的關(guān)注，但是安全性能差，又限制其大規(guī)模配組應(yīng)用，特別是大容量（單體電池容量達(dá)到50AH）三元鋰電池很難通過針刺和過充等安全性能試驗(yàn)。本文從三元鋰電池安全性能破壞機(jī)理分析，提出結(jié)構(gòu)上提高三元鋰電池通過安全性能試驗(yàn)的方法，以期為三元鋰電池安全性能研究提供指導(dǎo)。

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