談電動汽車用三元鋰電池安全特性

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了談電動汽車用三元鋰電池安全特性范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

摘要:闡述了電動汽車用鋰動力電池的工作過程，結合三元鋰電池安全性能試驗中過充、針刺等試驗結果現象，分析單體電池破壞的內在原因，從三元鋰電池使用的材料、單體電池的結構等方面論述提高三元鋰電池的安全性能的措施，以期在提高三元鋰電池安全性能方面提供指導。

關鍵詞:三元鋰電池;安全性能;正極材料

一、緒論

鑒于國家對環保和節能要求的不斷提高，汽車市場中對低排放或零排放的新能源汽車越來越重視，純電動汽車作為新能源汽車一員其續航里程、安全穩定性是亟待解決的問題，整車制造商把精力集中在三元鋰電池新技術研發上，而三元電池的安全穩定性是設計環節中的關鍵技術問題。三元電池安全性能試驗中過充、針刺等通過率低，儲存中常發生爆炸、自燃等問題，所以提高三元電池的安全性是一個重要的研究內容。本文主要從鋰電池工作過程出發，結合相關安全性能試驗結果，揭示三元鋰電池出現安全問題的內因，從三元鋰電池使用的材料和單體電池的結構等方面進行分析，提出改善措施。

二、電動汽車用鋰電池工作過程和特性分析

電動汽車用鋰動力電池在外接電源進行充電時，正極片周圍的電子在電場的導引下，運動到負極材料中與鋰離子結合，以局部電中性狀態儲存于負極石墨縫隙里。在正負兩極離子濃度差的作用下，正極片材料中的鋰離子通過電解液介質透過隔膜，到達負極片表面;在電動勢的作用下，擴散到鋰電池負極片內部，接觸到外電路電子后，負極片材料內部的局部電中性滯留其中。鋰動力電池外接負載放電過程中，負極片中的電子向外流動，經過外部電路運動到正極片表面，嵌入到正極片材料中，與外電路來的電子結合。當下電動汽車用鋰動力電池常見的正極材料類型主要有三元鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰等幾種。三元鋰電池因其正極材料含有鎳鈷錳(Ni、Co、Mn)三種元素而得名，這三種金屬元素的不同配比對電池的性能產生重要的影響，其中Ni元素，可以提高材料的活性，提高能量密度;Co元素，可以穩定材料的分布結構，利于材料的深度放電，提高材料的放電容量;Mn元素，在材料結構中起支撐作用，從而提高電池充放電過程中的穩定性。根據電動汽車用鋰動力電池不同正極材料類型分析其特性，可以看出鈷酸鋰電池雖然在能量密度等方面有相對的優勢，但是安全性能方面無法解決，使用的范圍越來越小。對于錳酸鋰電池，由于其循環性能較差、高溫性能表現也較差，目前主要應用在低端或低速車輛上?，F在電動汽車行業普遍使用磷酸鐵鋰和三元鋰動力電池，結合本地情況，城市公交(安凱客車)部分使用磷酸鐵鋰電池，純電動轎車(江淮、上汽)部分使用三元鋰動力電池。

三、三元鋰電池安全性能分析

本文主要結合方形鋁殼VDA三元鋰電池進行分析，方形鋁殼VDA三元鋰電池主要由鋁制殼體、絕緣套、卷芯、蓋板、電解液等組成，其中現使用的電解液是易燃，高溫易產氣的有機液體，其性能直接影響三元鋰電池的安全性能。本文主要從以下三個方面對三元鋰電池安全性進行分析。(1)三元鋰電池生產工藝主要有組裝、烘烤、注液、化成、分容等環節，其中組裝過程中極片激光切割中出現毛刺，在卷芯熱壓成型中刺穿隔膜，分容后存在安全隱患。由于方形VDA三元鋰電池分容過程中電解液分解易發生脹氣使內部卷芯變形引起內短路，導致電池內部溫度升高產生“熱失控”現象，封閉的殼體內部產生大量氣體使電池內部溫度和壓力急劇上升，此時蓋板上泄氣壓閥如果不能正常打開，會使電池內部能量無法釋放，能量積聚引起殼體破裂發生燃燒爆炸，導致安全問題。(2)三元鋰電池安全性能試驗中的過充試驗主要是模擬鋰電池在實際使用中充電時間過長，使負極片材料中鋰離子儲存飽和，過多的鋰離子就會在負極材料表面析出，形成的不規則結晶狀刺穿隔膜，引起電池內短路，發生“熱失控”，使電解液裂解產氣，導致VDA鋁殼電池變形脹裂，負極材料的鋰原子和空氣中的氧氣接觸，發生燃燒爆炸。(3)三元鋰電池安全性能試驗中的針刺項目主要是在試驗設備上用規定尺寸的鋼針刺穿電池主體，模擬電動汽車在發生交通事故中鋰電池組受到外力擠壓、機械損傷引起爆燃的安全問題。試驗中VDA鋁殼電池在實驗設備上被鋼針刺穿引起的電池內部短路，發生“熱失控”，電池內部的高溫高壓使電解液裂解燃燒，進而發生爆燃。通過對VDA鋁殼方形三元鋰電池試驗中安全問題的原因進行分析，可以看出三元鋰電池發生安全問題主要由于三元鋰電池內部反應導致電池內部過熱引起“熱失控”現象的發生，其中產生過熱的原因包括電池內短路、過充、單體電池裝配一致性差、外界對電池產生損傷等方面。

四、提高三元鋰電池安全性的措施

提高三元鋰電池安全性能可以從結構上進行改善，結合現有技術，主要有以下幾種方法:(1)在三元鋰電池蓋板結構上設置翻轉片，方形鋁殼VDA電池設計時殼體與正極連接(殼體帶正電)，負極與殼體間用絕緣墊隔離，可以有效防止三元鋰電池過充現象的發生。原理是過充發生時，三元鋰電池內部壓力升高使特殊結構的翻轉片變形凸出，形成外電路短路，切斷過充電過程。(2)在三元鋰電池蓋板結構上設置防爆閥，方形鋁殼VDA電池在發生機械損傷時，電池內部熱失控壓力急劇升高，將防爆閥膜片破壞，提前釋放內部能量，防止電池因能量積聚發生爆炸，目前有電池生廠商將防爆閥和特殊產氣電解液組合使用，提高防爆閥動作靈敏性。

五、結語

由于三元鋰電池具有高能量密度、長續航里程、單體電池電壓平臺高等特點，所以受到電動汽車整車廠的關注，但是安全性能差，又限制其大規模配組應用，特別是大容量(單體電池容量達到50AH)三元鋰電池很難通過針刺和過充等安全性能試驗。本文從三元鋰電池安全性能破壞機理分析，提出結構上提高三元鋰電池通過安全性能試驗的方法，以期為三元鋰電池安全性能研究提供指導。

參考文獻:

［1］任璐．三種主要動力電池的循環利用及環境保護［J］．科技創新導報，2019．

［2］蔡樂．廢舊三元鋰電池正極材料回收制備二氧化錳復合材料研究［D］．上海:上海第二工業大學，2018．

［3］李詩然．面向小容量電池組的電池管理系統的研究與設計［D］．西安:長安大學，2017．

［4］朱一多．三元鋰離子電池衰退特性及SOH預測研究［D］．武漢:武漢理工大學，2017．

［5］馮達．動力電池組底部冷板流固耦合傳熱特性分析及結構設計［D］．長春:吉林大學，2019．

作者：余劍 單位：安徽交通職業技術學院