锂离子电池自问世以来,获得了快速发展,目前在新能源汽车和数码电子产品中占据着绝对主导地位。随着社会的发展,用户对锂离子电池的容量、充电速度、安全性能等方面也提出更高要求。锂离子电池对温度极其敏感,低温会导致无法工作,高温更是致命的伤害。此文要探讨的即是锂离子电池高温病形成的原因、带来的影响以及业界探索出的可能的解决方法。
从微观看锂离子电池的胀气/高温/爆炸
锂离子电池的充放电是一个化学反应过程,在平静的表面下,锂离子在正负极间来回奔走。锂离子电池充电时,正极的锂原子会丧失电子,氧化为锂离子,锂离子经由电解液进入负极,并获得一个电子,还原为锂原子。放电时,过程则相反。此外,为了防止电池的正负极直接碰触而短路,电池采用有细孔的隔膜,将正负极隔离。
锂离子电池的胀气、高温、爆炸等问题,通常与过充、过放以及大电流有关,三者会对电池造成损害。当过充发生时,正极材料内剩下的锂原子数量过少,导致电池容量形成永久性下降。在负极端,锂原子饱和之后,再充电会使锂金属堆积在负极材料表面,形成树枝状结晶。久之,锂枝晶会穿破隔膜,造成正负极短路。过充时,电解液等材料往往会裂解出现气体,造成电池外壳或压力阀鼓胀破裂,氧气堆积在负极表面的锂原子反应,导致爆炸。同样,过放时,也会对材料造成损害。
此外,电流过大时,锂离子来不及进入材料内部,会聚集在材料表面,这些锂离子获得电子后,会在材料表面出现锂原子结晶,由于锂是化学周期表上最活泼的金属,锂原子易与氧气发生氧化反应而爆炸。
新型耐高温隔膜有望商业化
电池隔膜重要的功能是分隔锂离子电池中的正负极板,防止正负极板直接接触出现短路,因此,隔膜的性能对锂离子电池安全有较大影响。一般而言,考察隔膜性能的参数有如下几点:1.厚度2.透气率3.浸润度4.化学稳定性5.孔径及分布6.穿刺强度7.热稳定性8.闭孔温度、破膜温度9.孔隙率。业内对隔膜的研究,也多从这些方面去提高。
目前,市场上大规模应用的锂离子电池隔膜重要是聚烯烃类有机隔膜,这种隔膜生产成本低、力学性能和电化学稳定性均较好,但孔隙率偏低,对电解液的润湿性和热稳定性都较差,可能导致电池短路,严重时可引发火灾或爆炸等事故。