《电动汽车用三元锂电池安全特性探究》
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摘 要：阐述了电动汽车用锂动力电池的工作过程,结合三元锂电池安全性能试验中过充、针刺等试验结果现象,分析单体电池破坏的内在原因,从三元锂电池使用的材料、单体电池的结构等方面论述提高三元锂电池的安全性能的措施,以期在提高三元锂电池安全性能方面提供指导.
关键词：三元锂电池;安全性能;正极材料
一、绪论
鉴于国家对环保和节能要求的不断提高,汽车市场中对低排放或零排放的新能源汽车越来越重视,纯电动汽车作为新能源汽车一员其续航里程、安全稳定性是亟待解决的问题,整车制造商把精力集中在三元锂电池新技术研发上,而三元电池的安全稳定性是设计环节中的关键技术问题.三元电池安全性能试验中过充、针刺等通过率低,储存中常发生爆炸、自燃等问题,所以提高三元电池的安全性是一个重要的研究内容.本文主要从锂电池工作过程出发,结合相关安全性能试验结果,揭示三元锂电池出现安全问题的内因,从三元锂电池使用的材料和单体电池的结构等方面进行分析,提出改善措施.
二、电动汽车用锂电池工作过程和特性分析
电动汽车用锂动力电池在外接电源进行充电时,正极片周围的电子在电场的导引下,运动到负极材料中与锂离子结合,以局部电中性状态储存于负极石墨缝隙里.在正负两极离子浓度差的作用下,正极片材料中的锂离子通过电解液介质透过隔膜,到达负极片表面;在电动势的作用下,扩散到锂电池负极片内部,接触到外电路电子后,负极片材料内部的局部电中性滞留其中.锂动力电池外接负载放电过程中,负极片中的电子向外流动,经过外部电路运动到正极片表面,嵌入到正极片材料中,与外电路来的电子结合.
当下电动汽车用锂动力电池常见的正极材料类型主要有三元锂、磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂等几种.三元锂电池因其正极材料含有镍钴锰（Ni、Co、Mn）三种元素而得名,这三种金属元素的不同配比对电池的性能产生重要的影响,其中Ni元素,可以提高材料的活性,提高能量密度;Co元素,可以稳定材料的分布结构,利于材料的深度放电,提高材料的放电容量;Mn元素,在材料结构中起支撑作用,从而提高电池充放电过程中的稳定性.
根据电动汽车用锂动力电池不同正极材料类型分析其特性,可以看出钴酸锂电池虽然在能量密度等方面有相对的优势,但是安全性能方面无法解决,使用的范围越来越小.对于锰酸锂电池,由于其循环性能较差、高温性能表现也较差,目前主要应用在低端或低速车辆上.现在电动汽车行业普遍使用磷酸铁锂和三元锂动力电池,结合本地情况,城市公交（安凯客车）部分使用磷酸铁锂电池,纯电动轿车（江淮、上汽）部分使用三元锂动力电池.
三、三元锂电池安全性能分析
本文主要结合方形鋁壳VDA三元锂电池进行分析,方形铝壳VDA三元锂电池主要由铝制壳体、绝缘套、卷芯、盖板、电解液等组成,其中现使用的电解液是易燃,高温易产气的有机液体,其性能直接影响三元锂电池的安全性能.本文主要从以下三个方面对三元锂电池安全性进行分析.
（1）三元锂电池生产工艺主要有组装、烘烤、注液、化成、分容等环节,其中组装过程中极片激光切割中出现毛刺,在卷芯热压成型中刺穿隔膜,分容后存在安全隐患.由于方形VDA三元锂电池分容过程中电解液分解易发生胀气使内部卷芯变形引起内短路,导致电池内部温度升高产生“热失控”现象,封闭的壳体内部产生大量气体使电池内部温度和压力急剧上升,此时盖板上泄气压阀如果不能正常打开,会使电池内部能量无法释放,能量积聚引起壳体破裂发生燃烧爆炸,导致安全问题.
（2）三元锂电池安全性能试验中的过充试验主要是模拟锂电池在实际使用中充电时间过长,使负极片材料中锂离子储存饱和,过多的锂离子就会在负极材料表面析出,形成的不规则结晶状刺穿隔膜,引起电池内短路,发生“热失控”,使电解液裂解产气,导致VDA铝壳电池变形胀裂,负极材料的锂原子和空气中的氧气接触,发生燃烧爆炸.
（3）三元锂电池安全性能试验中的针刺项目主要是在试验设备上用规定尺寸的钢针刺穿电池主体,模拟电动汽车在发生交通事故中锂电池组受到外力挤压、机械损伤引起爆燃的安全问题.试验中VDA铝壳电池在实验设备上被钢针刺穿引起的电池内部短路,发生“热失控”,电池内部的高温高压使电解液裂解燃烧,进而发生爆燃.
通过对VDA铝壳方形三元锂电池试验中安全问题的原因进行分析,可以看出三元锂电池发生安全问题主要由于三元锂电池内部反应导致电池内部过热引起“热失控”现象的发生,其中产生过热的原因包括电池内短路、过充、单体电池装配一致性差、外界对电池产生损伤等方面.
四、提高三元锂电池安全性的措施
提高三元锂电池安全性能可以从结构上进行改善,结合现有技术,主要有以下几种方法：
（1）在三元锂电池盖板结构上设置翻转片,方形铝壳VDA电池设计时壳体与正极连接（壳体带正电）,负极与壳体间用绝缘垫隔离,可以有效防止三元锂电池过充现象的发生.原理是过充发生时,三元锂电池内部压力升高使特殊结构的翻转片变形凸出,形成外电路短路,切断过充电过程.
（2）在三元锂电池盖板结构上设置防爆阀,方形铝壳VDA电池在发生机械损伤时,电池内部热失控压力急剧升高,将防爆阀膜片破坏,提前释放内部能量,防止电池因能量积聚发生爆炸,目前有电池生厂商将防爆阀和特殊产气电解液组合使用,提高防爆阀动作灵敏性.
五、结语
由于三元锂电池具有高能量密度、长续航里程、单体电池电压平台高等特点,所以受到电动汽车整车厂的关注,但是安全性能差,又限制其大规模配组应用,特别是大容量（单体电池容量达到50AH）三元锂电池很难通过针刺和过充等安全性能试验.本文从三元锂电池安全性能破坏机理分析,提出结构上提高三元锂电池通过安全性能试验的方法,以期为三元锂电池安全性能研究提供指导.
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