鋰離子電池熱失控機理解析
轉載。
鄧軼康
當熱失控發生時,電池的熱失控過程如下圖所示:
從圖中可以看出,當隔膜熔融,電池發生不可逆的產生鏈式反應時,電池溫度將急劇升高,可能導致火災甚至爆炸。為了降低鋰電池的火災爆炸危險,對于熱失控機理的掌握變得尤為重要。
首先,需要明確,觸發鋰電池熱失控的濫用條件主要包括三個方面:機械濫用、電濫用和熱濫用。這三種濫用條件的熱失控觸發機理如下:
機械濫用 機械濫用可以進一步分為碰撞擠壓和穿刺兩種情況。 (1)碰撞或擠壓 在碰撞和擠壓情況下,電池往往會受到外界的力量作用,導致電池隔膜受損,這可能引發內部短路,并釋放大量的熱量。這種熱失控的機理在于外界碰撞或擠壓造成電池內部的短路,熱量的釋放加劇了問題的惡化。以下圖為例,電池隔膜在擠壓后的變化,擠壓后隔膜產生透明區域,變得脆弱,在幾個充放電循環后,隔膜破裂,發生內部短路,進而引發熱失控。 (2)針刺 當電池收到穿刺時,往往會觸發一種類似“糖葫蘆”型的微短路電池結構。在這種情況下,針刺將直接影響電池的內部結構,釋放熱量,并且針刺會產生接觸電阻,引發歐姆熱。隨著熱量的積累,隔膜收縮,導致大規模的內部短路,最終觸發熱失控,下圖為電池受到針刺后內部短路現象的示意圖。 電濫用 電濫用分為內部短路、外部短路、過度充電和過度放電四種模式,在這里主要介紹內部短路和過度充電這兩種具有代表性的情況。 (1)內部短路 內部短路的產生常常會伴隨著溫度的迅速升高,內部短路通常是由于隔膜受損,導致電池的正負極直接接觸所引發的。短路會釋放大量的熱量。這一過程還可能引發附近隔膜的斷裂,引發熱失控在電池內部的傳遞,最終電池結構發生變化,隔膜繼續收縮,進一步導致大規模的內部短路,最終觸發熱失控。下圖為高速x射線攝像機拍攝的電池內部短路后熱失控傳播的現象: (2)過度充電 如下圖所示,鋰電池在充電過程中,鋰離子會從陽極像陰極移動,而過度充電會導致陽極過度析鋰,從而使陽極結構崩潰,內阻增加,并釋放熱量和氧氣。氧氣與電解液反應,釋放CO、CO2以及烴類氣體,同時電解液也會分解,導致產熱加劇,最終觸發熱失控。 熱濫用 熱濫用的是一個逐漸升溫的過程,根據任東升等人的總結,熱濫用條件下電池的熱失控可以分為以下四個階段: (1)自產熱階段,陽極反應發生,電池開始升溫; (2)隔膜開始收縮引發內部短路,但電池內阻很高幾乎不產生焦耳熱; (3)陽極反應加劇,釋放更多的熱量和氣體; (4)陰極反應開始,熱失控觸發。 了解這些機理可以幫助我們更好地預防和處理鋰離子電池熱失控問題,從而提高新能源汽車的安全性。在未來,我們可以從機理入手進行鋰電池安全性的研究,進而做到從本質上防止鋰電池的熱失控。