鋰電池的安全隱患!一定要注意!
隨著手機、數碼產品、電動汽車的普及,鋰離子電池在人們生活當中扮演著越來越重要的角色。低能量密度、循環壽命有限等使用問題常常被人們詬病,但是與這些問題相比,電池安全問題卻是人們關注的焦點。
一、什么是鋰離子電池?
鋰離子電池是一種二次電池(充電電池),它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中,Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌:充電時,Li+從正極脫嵌,經過電解質嵌入負極,負極處于富鋰狀態;放電時則相反。
鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。手機和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池,通常人們俗稱其為鋰電池。電池一般采用含有鋰元素的材料作為電極,是現代高性能電池的代表。而真正的鋰電池由于危險性大,很少應用于日常電子產品。
鋰離子電池由日本索尼公司于1990年最先開發成功。它是把鋰離子嵌入碳(石油焦炭和石墨)中形成負極(傳統鋰電池用鋰或鋰合金作負極)。正極材料常用LixCoO2,也用LixNiO2,和LixMnO4,電解液用LiPF6+二乙烯碳酸酯(EC)+二甲基碳酸酯(DMC)。
石油焦炭和石墨作負極材料無毒,且資源充足,鋰離子嵌入碳中,克服了鋰的高活性,解決了傳統鋰電池存在的安全問題,正極LixCoO2在充、放電性能和壽命上均能達到較高水平,使成本降低,總之鋰離子電池的綜合性能提高了。預計21世紀鋰離子電池將會占有很大的市場。
二、鋰離子電池的安全隱患
一般來說,鋰離子電池出現安全問題表現為燃燒甚至爆炸,出現這些問題的根源在于電池內部的熱失控,除此之外,一些外部因素,如過充、火源、擠壓、穿刺、短路等問題也會導致安全性問題。鋰離子電池在充放電過程中會發熱,如果產生的熱量超過了電池熱量的耗散能力,鋰離子電池就會過熱,電池材料就會發生SEI膜的分解、電解液分解、正極分解、負極與電解液的反應和負極與粘合劑的反應等破壞性的副反應。
1、正極材料的安全隱患
當鋰離子電池使用不當時,導致電池內部溫度的升高,使正極材料會發生活性物質的分解和電解液的氧化。同時,這兩種反應能夠產生大量的熱,從而造成電池溫度的進一步上升。不同的脫鋰狀態對活性物質晶格轉變、分解溫度和電池的熱穩定性影響相差很大。
2、負極材料的安全隱患
早期使用的負極材料是金屬鋰,組裝的電池在多次充放電后易產生鋰枝晶,進而刺破隔膜,導致電池短路、漏液甚至發生爆炸。嵌鋰化合物能夠有效避免鋰枝晶的產生,大大提高鋰離子電池的安全性。
隨著溫度的升高,嵌鋰狀態下的碳負極首先與電解液發生放熱反應。相同的充放電條件下,電解液與嵌鋰人造石墨反應的放熱速率遠大于與嵌鋰的中間相碳微球、碳纖維、焦碳等的反應放熱速率。
3、隔膜與電解液的安全隱患
鋰離子電池的電解液為鋰鹽與有機溶劑的混合溶液,其中商用的鋰鹽為六氟磷酸鋰,該材料在高溫下易發生熱分解,并與微量的水以及有機溶劑之間進行熱化學反應,降低電解液的熱穩定性。電解液有機溶劑為碳酸酯類,這類溶劑沸點、閃點較低,在高溫下容易與鋰鹽釋放PF5的反應,易被氧化。
4、制造工藝中的安全隱患
鋰離子電池在制造過程中,電極制造、電池裝配等過程都會對電池的安全性產生影響。如正極和負極混料、涂布、輥壓、裁片或沖切、組裝、加注電解液的量、封口、化成等諸道工序的質量控制,無一不影響電池的性能和安全性。
漿料的均勻度決定了活性物質在電極上分布的均勻性,從而影響電池的安全性。漿料細度太大,電池充放電時會出現負極材料膨脹與收縮比較大的變化,可能出現金屬鋰的析出;漿料細度太小會導致電池內阻過大。涂布加熱溫度過低或烘干時間不足會使溶劑殘留,粘結劑部分溶解,造成部分活性物質容易剝離;溫度過高可能造成粘結劑炭化,活性物質脫落造成電池內部短路。
5、電池使用過程中的安全隱患
鋰離子電池在使用過程中應該盡可能減少過充電或者過放電,特別對于單體容量高的電池,因熱擾動可能會引發一系列放熱副反應,導致安全性問題。
三、鋰離子電池使用注意事項
鋰離子電池生產出來后,在到達消費者手中之前,還需要進行一系列檢測,以盡量保證電池的安全性,降低安全隱患。針對鋰離子電池在材料、制造和使用過程中的諸多安全隱患,如何對容易產生安全問題的部分進行改進,是鋰離子電池制造商需要解決的問題。
1、避免在嚴酷條件下使用,如:高溫、高濕度、夏日陽光下長時間暴曬等,避免將電池投入火中。
2、拆電池時,應確保用電器具處于電源關閉狀態;使用溫度應保持在-20~50℃之間。
3、避免將電池長(chang)時間“存放”在停止使用的用電器具中。