．動力電池安全性因素探究

Porous Power Enhances Safety, Cycle Life and Performance of Lithium-Ion Batteries

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來源：《動力電池》雜誌

在新能源汽車領域，鋰電池動力電池由於具備相對較高的能量密度、輸出功率等特點，得到越來越廣泛的應用。但鋰離子動力電池的性能及壽命，會隨著不斷地使用而衰減，更重要的是在不同的使用環境下，會有不同的狀況。

比如在寒冷低溫下，容易出現比容量低、衰減嚴重等現象，高溫下存在熱失控，導致自燃自爆的隱患。

這些潛在的安全隱憂，造成新能源汽車消費者的信心不足。因此對鋰離子動力電池安全性，進行重視並進行研究改進，是十分必要的，有助於降低電池的安全隱憂，和發生事故的頻率，減少或避免動力電池，出現安全問題時造成的危害。

簡單來說，鋰離子動力電池主要由正極、負極、隔膜、電解液、電池外殼等構成。若按正極材料來分，主要分為鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰，以及鎳鈷錳酸鋰三元材料等。按電芯的結構形狀來分，主要分為圓柱和方形，以及軟包這三種。

不同材料選擇和結構設計的電池，優缺點都十分明顯，因此鋰離子動力電池安全，與電池材料性質和結構設計，有密切的關係，另外與電池制備技術和使用環境緊密相關。從鋰離子動力電池的生產，到最後的應用來看，影響鋰離子動力電池安全性的因素，貫穿在電芯的材料選擇和設計生產、模組的整合和使用環境整個過程中。

（1）電芯材料選擇和評估

電芯的性質和安全，在很大程度上，由電芯材料的選用決定，如果在選用電芯材料時，沒有對原材料進行深入的評估，必然會在第一階段，就造成電芯安全性的不足。

電池的比容量和比能量，主要由正極材料決定，更重要的是其安全性受正極材料的本徵電極電勢影響，比如磷酸鐵鋰和三元的安全性差異。因此需要通過對電芯材料種類，進行選擇和元素摻雜來改善，盡量選擇電位和電解液電化學窗口相匹配的、反應放熱較少的材料，用以提高電芯安全性。

負極活性材料對安全性能的影響，主要來自於鋰枝晶的生長和電解液的反應。在快充的過程中，一旦鋰離子透過SEI膜的速度，比鋰沈積在負極上的速度慢，鋰的枝晶會隨著充放電循環而不斷生長，可能導致內部短路，而造成電解質發生反應，以致熱失控。因此通過改善SEI膜的熱穩定性，可以提高電芯的安全性。

電解液通常使用的溶劑為有機碳酸酯類化合物，它們化學性能活潑且極易燃燒。正極材料處於充電態時為強氧化性，而處於強氧化性狀態下的正極材料穩定性一般較差，很容易釋放出氧氣，而碳酸酯極易與氧氣反應，放出大量的熱和氣體。

一旦出現熱失控後，產生熱量會進一步加速正極的分解，產生更多的氧氣，促進更多放熱反應的進行。

電池隔膜

隔膜的主要作用是將電池的正、負極分隔開，起到關閉和阻斷通道的功能，可以讓鋰離子自由通過，而電子不能通過。一旦隔膜出現破裂等情況，將會造成正負極接觸短路導致熱失控，因此對隔膜的機械強度、孔隙率、厚度均一性和耐溫提出了很高的要求。

（2）結構設計和生產程序

鋰離子動力電池的安全性，也與電池的結構構造有較大關係，尤其電池容量和大小，對電池的安全性有重要影響。容量高的電池通常放熱量較大，而體積大的電池其散熱相對困難，熱量更容易被累積，從而出現熱失控的概率更大。

為保證鋰離子電池在使用過程中不出現問題，都會在鋰電池電池殼表面設置安全閥，以防內部壓力過高。在電芯的結構設計中，存在很多引發內短路的潛在危險部位，因此應該在這些關鍵位置，設置必要的措施或者絕緣，以防止在異常情況下發生電池內短路。

電芯生產製造工藝基本步驟分為混料、塗布、輥壓、裁片、卷繞或疊層、極耳焊接、注液、封口、化成、排氣、分容等，在每一個步驟都有可能由於操作工藝不當造成電芯的安全性問題。

在電芯原材料檢測階段，如果不嚴格按照標準，或生產時環境差，很容易導致電芯中混入雜質，對電池的安全性有很大的影響。另外，電解液中如果混入了較多的水分，可能就會發生副反應而增大電池內壓，對安全造成影響。

在電芯的生產過程中，由於技術水準的限制，使得電池極板厚度、微孔率、活性物質的活化程度等存在微小差別。

這種電池內部結構上的不一致性，就會使同一批次出廠的同一型號電池的電壓、容量、內阻等不可能完全一致。產品無法達到良好的一致性，都可能會對電芯的安全性帶來不利的影響。

（3）外部環境和使用條件

新能源汽車在使用過程中的環境是不斷變化的，一旦發生碰撞，電池系統將承受巨大的衝擊載荷，並且可能受到擠壓、穿刺等損壞，嚴重的造成電池的燃燒、爆炸等危險。

另外一方面長期在路面上顛簸，容易導致電池固定鬆動，造成一些機械性的傷害，和連接件的鬆動導致的一些問題。

動力電池使用環境複雜

電池箱外殼作為電池的第一防護層，防水等級需達到IP67。在不影響防水等級的基礎上，同時必須具備散熱系統，以保證密閉空間內的溫度不至過高，有效地保護電池的安全和使用壽命。其結構必須保證在大容量的容納空間基礎上，滿足足夠的強度，以保證在非正常情況下的碰撞下，保護裡面的電池不受大力擠壓。

除了在電芯製造過程中，注意和外部保護條件之外，對BMS 的管理功能，同樣提出很高的要求。

BMS主要檢測電池的狀態，以及電池組中各單體電池的狀態，並根據電池（組）的狀態對電池（組）進行適當的控制策略調整，可以接受上層控制模組的控制資訊，並做出必要的反應，實現對動力電池（組）的充放電管理，以保證動力電池系統安全穩定地運行。因此功能全面的BMS，可以提高動力電池在使用過程中的安全可靠性。

總結

鋰離子動力電池的安全性能，決定了其在新能源汽車領域的市場和未來。為了保證新能源汽車的安全，各個企業需要不斷通過改進製程和技術，提高鋰電池電芯的安全性，需要針對動力電池系統不斷進行結構優化和設計分析。

另外，使用者同樣需要要、正確使用動力電池系統，杜絕機械濫用、熱濫用和電濫用以保證電池的安全可靠性。