鋰離子電池由于其具有高能量密度，高功率密度和長運(yùn)用壽數(shù)的特色，在化學(xué)儲(chǔ)能器件中脫穎而出，現(xiàn)在在便攜式電子產(chǎn)品范疇現(xiàn)已技能成熟廣泛運(yùn)用了，現(xiàn)在在國家的方針支持下，在電動(dòng)汽車范疇和大規(guī)模儲(chǔ)能范疇的需求量也呈爆發(fā)式的上升。

鋰離子電池在通常狀況下是安全的，可是，時(shí)有安全性事端的報(bào)導(dǎo)呈現(xiàn)在大眾面前。比較聞名的有近幾年的波音公司737和B787飛機(jī)電池著火，比亞迪電動(dòng)汽車起火，特斯拉MODELS起火…這些鋰離子電池安全性事端進(jìn)入大眾視界的最早時(shí)刻能夠追溯到4、5年以前。開展到現(xiàn)在，安全性仍然是限制鋰離子電池在高能量/高功率范疇運(yùn)用的關(guān)鍵性要素。熱失控不僅是發(fā)作安全性問題的實(shí)質(zhì)原因，也是限制鋰離子電池功用體現(xiàn)的短板之一。

鋰離子電池的潛在安全性問題很大程度上影響了顧客的決心。盡管人們一直期待BMS能夠精確地監(jiān)控安全狀況（SOS）并能猜測(cè)和阻撓一些故障的發(fā)作,可是，由于熱失控的狀況雜亂多樣，很難由一種技能體系確保其生命周期中所面對(duì)的所有安全狀況，所以，對(duì)其引發(fā)原因的分析和研討對(duì)一個(gè)安全牢靠的鋰離子電池來說仍然是必要的。

2.電芯資料的選擇

鋰離子電池的內(nèi)部組成首要為正極｜電解質(zhì)｜隔閡｜電解質(zhì)｜負(fù)極，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行極耳的焊接，外包裝的包裹等進(jìn)程最終構(gòu)成一只完整的電芯。電芯再經(jīng)過初始的充放電，化成分容排氣等進(jìn)程今后，就能夠出廠運(yùn)用了。這個(gè)進(jìn)程的第一步，是資料的選擇。影響資料的安全性要素首要是其本征的軌跡能量、晶體結(jié)構(gòu)和資料的性狀。

2.1正極資料

正極活性資料在電池中的首要用途是貢獻(xiàn)比容量和比能量，其本征電極電勢(shì)對(duì)安全性有必定的影響。例如，近年來，我國現(xiàn)已將低電壓資料LiFePO4（磷酸鐵鋰）作為動(dòng)力鋰電池的正極資料廣泛運(yùn)用于交通工具（例如混合式動(dòng)力車HEV,電動(dòng)汽車EV）和儲(chǔ)能設(shè)備（例如不間斷電源UPS）中，可是LiFePO4在眾多資料中所展現(xiàn)出來的安全性優(yōu)勢(shì)實(shí)踐是以獻(xiàn)身能量密度為價(jià)值的，也就是說會(huì)限制其運(yùn)用者（如EV,UPS）的續(xù)航能力。而像NMC(LiNixMnyCo1-x-yO2)等三元資料盡管在能量密度上體現(xiàn)優(yōu)異，可是作為動(dòng)力鋰電池的理想正極資料，安全性問題一直得不到完善的處理。為了研討正極資料的熱行為，研討者們都做了許多作業(yè)，發(fā)現(xiàn)本征電極電勢(shì)和晶體結(jié)構(gòu)是影響其安全性的首要要素，如電極電位μC和電解液的電化學(xué)窗口最高占據(jù)軌跡HOMO是否完美匹配，晶格中能否順利一起經(jīng)過多個(gè)鋰離子……經(jīng)過對(duì)資料種類的選擇和元素的摻雜能夠增強(qiáng)正極活性資料的安全功用。

2.2負(fù)極資料

負(fù)極活性資料對(duì)安全功用的影響首要來自于其本征的軌跡能量和電解質(zhì)LUMO,HOMO的裝備聯(lián)系。在快充的進(jìn)程中，鋰離子經(jīng)過SEI（固態(tài)電解質(zhì)界面）膜的速度可能比鋰在負(fù)極的堆積速度慢，鋰的支晶會(huì)跟著充放電循環(huán)而不斷生長，可能導(dǎo)致內(nèi)短路而引燃可燃性的電解質(zhì)發(fā)作熱失控，這一特性限制了負(fù)極在快充進(jìn)程中的安全性。只有在以含碳資料作為緩沖層的鋰合金的負(fù)極電動(dòng)勢(shì)和鋰的電動(dòng)勢(shì)之差小于-0.7Ev，即μA<μLi0.7eV的狀況下，才干確保鋰的堆積不會(huì)構(gòu)成短路。出于安全性的考慮，動(dòng)力鋰電池應(yīng)選用電動(dòng)勢(shì)小于1.0eV（相關(guān)于Li+/Li0）的負(fù)極資料完成安全的快充或許能夠完成將充電電壓操控在遠(yuǎn)低于鋰的堆積電位的范圍內(nèi)。Li4Ti5O12在快充和快放范疇有安全性的優(yōu)勢(shì)，原因是其電動(dòng)勢(shì)為1.5eV（相關(guān)于Li+/Li0），低于電解質(zhì)的LUMO。還有一種負(fù)極資料Ti0.9Nb0.1Nb2O7，它能夠在1.3≤V≤1.6V（相關(guān)于Li+/Li0）的電壓下快速充放30周以上，并且具有300mAhg1的比容量，高于LTO。在放電的進(jìn)程中由于不存在鋰離子經(jīng)過SEI膜和在負(fù)極上堆積的速度競(jìng)爭，所以快放進(jìn)程是安全的。

2.3電解質(zhì)和隔閡

電解質(zhì)和隔閡對(duì)安全性的影響首要是其性狀。

現(xiàn)在廣泛運(yùn)用的商用電解質(zhì)的可燃性和液體狀況對(duì)安全性來講不是特別理想的選擇。假如選用鋰離子電導(dǎo)率σLi+>104Scm1的固態(tài)電解質(zhì)，就能夠一方面阻撓鋰支晶刺破隔閡抵達(dá)正極然后處理安全性問題，另一方面也能夠處理負(fù)極與碳酸鹽電解質(zhì)接觸和正極與水性電解液接觸時(shí)發(fā)生的穩(wěn)定性問題。當(dāng)然，經(jīng)過運(yùn)用具有更寬的電化學(xué)窗口（特別是LUMO更高）的電解液，在電解質(zhì)里新增一些阻燃資料，將混合的離子液體和有機(jī)液體電解質(zhì)改性成為不易燃的電解液（與此一起離子傳導(dǎo)率σLi也不會(huì)下降太多）等手法也能夠有效地進(jìn)步安全性。

隔閡的機(jī)械強(qiáng)度（抗拉伸和穿刺強(qiáng)度）、孔隙率和是否具有封閉功用是決議其安全性的重要根據(jù)。

3.電芯的制作

從電極的配料開端，要經(jīng)過一系列的如拌和、拉漿、裁片、刮粉、刷粉、對(duì)輥、極耳鉚接、焊接連片、貼膠紙、測(cè)驗(yàn)、化成等進(jìn)程。在這一系列的流程中，即便所有進(jìn)程都現(xiàn)已完成，仍有可能由于作業(yè)不到位而導(dǎo)致電池內(nèi)阻升高或短路而構(gòu)成安全性問題的隱患。如：焊接進(jìn)程中發(fā)生虛焊（正/負(fù)極片與極耳間，正極極片與蓋帽間，負(fù)極極片與殼間，鉚釘與接觸內(nèi)阻大等），料塵，隔閡紙?zhí)』蛭磯|好，隔閡有洞，毛刺未整理潔凈等。正負(fù)極的容量配比過錯(cuò)也可能會(huì)導(dǎo)致大量金屬鋰在負(fù)極外表堆積，漿料均勻性不夠也會(huì)導(dǎo)致活性顆粒物散布不均，構(gòu)成充放電負(fù)極體積改變大而析鋰，然后影響其安全功用。此外，化成進(jìn)程中SEI膜的生成質(zhì)量也直接決議了電池的循環(huán)功用和安全功用，影響其嵌鋰穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。影響SEI膜的要素包含負(fù)極碳資料、電解質(zhì)和溶劑的類別，化成時(shí)的電流密度，溫度及壓力等參數(shù)的設(shè)定，經(jīng)過對(duì)資料的適當(dāng)選擇，化成工藝的參數(shù)調(diào)整，能夠進(jìn)步生成SEI膜的質(zhì)量，然后進(jìn)步電芯的安全功用。

4.電堆的集成

4.1BMS電池辦理體系

電池辦理體系（BMS）在動(dòng)力鋰電池的運(yùn)用中被寄予處理關(guān)鍵問題的期望。辦理體系需求辦理電池及其一致性，使其在不同條件下（溫度，海拔高度，最大倍率，電荷狀況，循環(huán)壽數(shù)……）取得最大的能量貯存、往復(fù)效率和安全性。BMS包含一些通用的模塊：數(shù)據(jù)采集器，通訊單元和電池狀況（SOC,SOC,SOP……）評(píng)估模型。跟著動(dòng)力鋰電池的開展，對(duì)BMS的辦理能力要求也更多更嚴(yán)苛。新增了比如熱量辦理模塊，高壓監(jiān)控模塊……經(jīng)過這些安全性模塊的新增，可望改進(jìn)動(dòng)力鋰電池在運(yùn)用進(jìn)程中的安全牢靠性。

4.2電堆的集成規(guī)劃

電池發(fā)作熱失控后會(huì)引發(fā)冒煙、起火、爆炸等具有破壞性的行為，危害到運(yùn)用者的人身安全。即便選用理論上最安全的裝備方法，也不足以讓人高枕無憂。如選用LiFePO4和Li4Ti5O12做成安全而適用于快速充放電電池的正極和負(fù)極資料，他們的電動(dòng)勢(shì)都坐落電解質(zhì)的電化學(xué)窗口內(nèi)，也不再需求SEI膜。可是，即是這樣也會(huì)由于氧化還原電對(duì)會(huì)出現(xiàn)在陰離子的P軌跡頂部或許和陽離子的4S軌跡發(fā)作交疊而不足以應(yīng)付該電極在一些工況下的作業(yè)狀況。再合理的電芯規(guī)劃和制作也無法防止運(yùn)用工況中的意外狀況發(fā)作，只有合理的電池包集成規(guī)劃才干夠讓電堆在電芯出問題的狀況下及時(shí)止損。

如前所述，電池的安全性和續(xù)航能力在資料的層面是一對(duì)互相矛盾的成果。為了處理安全性和續(xù)航能力的平衡問題，TeslaMotorsCo.Ltd率先做出了模范給了我們很好的啟示。特斯拉的ModelS運(yùn)用了松下公司（PanasonicCo.Ltd）的高能量密度的NCR18650A型電池，在一個(gè)電堆中運(yùn)用了7000多節(jié)電芯。這本是一個(gè)發(fā)作熱失控幾率很高的組合方法，但經(jīng)過對(duì)電堆集成及其BMS的規(guī)劃，運(yùn)用了許多創(chuàng)新性專利，使ModelS在實(shí)踐運(yùn)用進(jìn)程中發(fā)作安全事端的幾率大大下降。以特斯拉的揭露專利為例，其中對(duì)單體安全功用、模組module安全功用和電池pack總成安全功用的加強(qiáng)能夠或多或少代表處理集成的先進(jìn)辦法。

Tesla經(jīng)過在電芯的電極處、外殼上新增防火資料和套管，在單體之間堅(jiān)持最小安全間隔，選用墊片堅(jiān)持單體在起火后的間距保持不變，運(yùn)用高效安全閥猜測(cè)單體破裂位置，單體安全閥門閥門翻開后即切斷單體與電器的銜接，然后防止單體電芯間的熱量分散和發(fā)作熱失控之后引起的鏈?zhǔn)椒错?。一起，?jīng)過在電池的電極和電池殼的內(nèi)外表之間安置絕熱層，在模組間安置絕緣層，將Pack分區(qū)進(jìn)行維護(hù)，然后隔絕模組間在發(fā)作熱失控發(fā)作后的熱量傳導(dǎo)和失控分散。這些措施從電芯到模組的層面，層層設(shè)防，以期在內(nèi)部熱失控發(fā)作后最大限度地及時(shí)止損。

4.3熱失控預(yù)案規(guī)劃

關(guān)于熱失控發(fā)作后的預(yù)案規(guī)劃方法多種類,多層面，除了上述的各種集成時(shí)考慮的安全性規(guī)劃外，還有布控冷卻管道為電池冷卻和熱失控自動(dòng)緩和體系啟動(dòng)噴出冷卻液體以消減熱失控發(fā)生的影響；子電堆安全閥門及時(shí)翻開，讓熱失控發(fā)生的高溫氣體及時(shí)排出體系，再由總閥門排出；運(yùn)用內(nèi)置的其他體系吸收熱失控高溫發(fā)生的能量，下降危害……最后，一旦發(fā)作前序手法無法操控的狀況，經(jīng)過，在pack所在位置的底部加裝防彈板，在乘員艙和pack層之間加阻熱層以最大可能性減小熱失控發(fā)作后所帶來的人身傷害。這些規(guī)劃不僅能夠使內(nèi)部熱失控時(shí)的能量及時(shí)消減，也能夠預(yù)見在電池層面完全失去操控后，災(zāi)難性結(jié)果仍在掌控范圍內(nèi)然后從根本上確保運(yùn)用者的人身安全。

5.電池的亂用

即便鋰離子電池在如前所述的制作集成進(jìn)程中都完美無瑕，在用戶實(shí)踐運(yùn)用的工況中，也難以防止亂用的狀況。充放電制度（過充過放），環(huán)境溫度（熱箱），其他亂用（針刺，揉捏，內(nèi)短路）等，加上新國標(biāo)新增的環(huán)境濕度（海水浸泡）都是由于亂用問題而構(gòu)成安全性問題的原因。過充會(huì)構(gòu)成正極活性資料晶體塌陷，鋰離子脫嵌通道受阻，然后使內(nèi)阻急劇升高，發(fā)生大量焦耳熱，一起也會(huì)使負(fù)極活性資料嵌鋰能力下降而發(fā)生鋰支晶構(gòu)成短路的結(jié)果。環(huán)境溫度過熱會(huì)構(gòu)成鋰離子電池內(nèi)部一系列鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反響，包含隔閡的熔解，正/負(fù)極活性資料與電解質(zhì)的反響，正極/SEI膜/溶劑分解，嵌鋰負(fù)極與粘結(jié)劑的反響等。針刺/揉捏都是在部分構(gòu)成內(nèi)短路，和內(nèi)短路相同在短路區(qū)聚集大量熱而構(gòu)成熱失控的結(jié)果。