当前,安全是锂离子电池从便携式产品向动力锂电池和大规模储能技术发展的瓶颈之一。本文从正极、负极、隔膜、电解质和电池使用方式五个方面简要介绍对锂离子电池安全性的影响,总结出电池的使用方式和存放环境是引起锂离子电池发生事故的一个关键因素。
正极
当前,常见的正极重要包括LiCoO2,LiFePO4,LiMn2O4和LiNixCoyMn1?x?yO2(三元化合物),热力学稳定性和放热量顺序依次为LiFePO4>LiMn2O4>LiNixCoyMn1?x?yO2>LiCoO2。LiCoO2和三元化合物热稳定性差,放热量分别为770和570J?g?1,远高于LiFePO4和LiMn2O4的发热量(150/230J?g?1),所以,LiFePO4是安全性最好的正极材料,而三元化合物具有容量高,成本低,环境污染小,可以大电流充放电等优势,相比导电率小的LiFePO4和容量低、循环性能差的LiMn2O4,是最有希望大规模应用的正极材料
电解液
锂离子电池使用的电解液溶剂重要是碳酸二乙酯,碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸甲基乙基酯和碳酸二甲酯等碳酸酯类有机化合物的混合物,这些化合物容易分解和氧化,着火点低,遇火极易燃烧。其中线性碳酸酯能提高电池的充放电容量和循环寿命,但是他们的闪点较低,在较低的温度下即会闪燃,潜藏着很大的安全问题。而且体积比为1:1的碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯、碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯、碳酸丙烯酯/碳酸二乙酯分解电压依次为4.25、5.1和4.35V,这些不同的分解电压也是影响电池安全性能差异的另外一个因素。所以,选用高沸点、高闪点以及介电常数的环状碳酸酯,或含有S、N、F等元素的有机溶剂,是提高锂离子电池的安全性能一个途径。此外,电解液中可以加入阻燃型添加剂,在受热升温时释放出具有阻燃性能的自由基,吸收因电池滥用出现的气体中的氢自由基或氢氧自由基,从而阻止链式反应,减少或防止有机电解液燃烧,提高电池的安全性能[8]。
隔膜
锂离子电池中的隔膜既要防止正负极接触,又不影响锂离子和电子扩散。因此,前者对隔膜纸的厚度、热力学稳定性、绝缘性能及热闭合温度和熔融温度提出要求,防止形成枝晶锂刺破隔膜,出现危险[9]。高飞等采用锥形量热仪技术发现石墨和隔膜是影响电池燃烧行为的重要因素,隔膜的不完全燃烧出现烟气的。作者采用层次分析法计算认为锂离子电池火灾的重要危险源是隔膜,其次是负极、正极[10]。后者则要隔膜具有合适的孔径、孔率和分布。一般孔径小于10nm的,孔率为40%左右且分布均匀的隔膜纸,具有优异的离子导电能力[6]。此外,隔膜要有足够的化学稳定性和抗穿刺能力,以及高温条件下优良的自动关断保护功能。