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1、锂 离 子 电 池 的 工 作 原 理及 安 全 性2005年 8月 目 录 锂 离 子 电 池 的 工 作 原 理 及 组 成 锂 离 子 电 池 的 性 能 及 测 试 影 响 锂 离 子 电 池 安 全 性 的 因 素 改 善 电 池 安 全 性 的 措 施 和 方 法 18650 电 池 示 意 图 隔 膜正 极负 极安 全 阀电 解 液 锂 离 子 电 池 的 工 作 原 理 Li+ + 6C + e LiC6 LiMO2 MO2 + Li+ + e 锂 电 制 作 的 一 般 流 程配 浆 涂 布 辊 压装 配注 液化 成检 测 出 货 如 何 评 价 锂 离 子 电 池 安 全
2、性 : 短 路 , 过 充 , 热 冲 击 稳 定 性 : 循 环 和 存 储 容 量 : 电 池 的 重 量 能 量 比 和 体 积 能 量 比 锂 离 子 电 池 的 测 试 安 全 性 : 外 短 路 , 针 刺 , 过 充 , 热 冲 击 . 稳 定 性 : 循 环 500 次 和 存 储 性 能 . 电 化 学 性 能 : 容 量 , 不 同 倍 率 电 流 放 电 性能 ， 高 低 温 放 电 等 . 可 靠 性 测 试 : 振 动 , 撞 击 , 跌 落 , 挤 压 . 不 同 倍 率 电 池 放 电 性 能 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 0 100 2
3、00 300 400 500 600 700 1C放电 0.5C放电 0.2C放电不 同 倍 率 放 电 容 量 相 近 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 0 100 200 300 400 500 600 700 不 同 温 度 下 的 电 池 放 电 特 性1C at 55oC 1C at 25 oC 0.5C at -20oC 锂 电 池 安 全 性 由 于 能 量 密 度 较 高 , 锂 电 较 容 易 发 生 安 全性 事 故 . 在 使 用 锂 电 过 程 中 , 除 要 求 电 芯 本 身 要 安全 可 靠 外 , 成 品 电 池 要 有 保 护 线 路 板
4、 . 国 际 上 有 关 锂 电 池 爆 炸 的 报 道 2004年 全 球 共 有 一 百 二 十 万 电 池 和 电 池 组 被 招 回 影 响 锂 离 子 电 池 安 全 性的 内 部 因 素 (1) 材 料 : 正 极 材 料 : LiCoO2的 热 稳 定 性 及 其 与 电 解液 反 应 活 性 负 极 材 料 的 稳 定 性 及 配 比 电 解 液 的 组 成 隔 膜 的 选 择材 料 体 系 影 响 整 个 电 池 的 过 充 和 热 稳 定 性 影 响 锂 离 子 电 池 安 全 性的 内 部 因 素 (2) 电 池 结 构 结 构 设 计 的 合 理 性 工 艺 电 池 制
5、 作 的 过 程 控 制 : 极 片 毛 刺 , 极 粉 脱 落 , 卷 绕 对 位 . 不 良 电 池 的 筛 选内 短 路 : 微 短 路 , 结 构 性 内 短 路 微 短 路 主 要 由 正 负 极 片 上 微 粉 或 凸 点 刺 穿 隔 膜 , 引 起电 芯 内 部 短 路 造 成 . 轻 微 的 将 造 成 自 放 电 率 高 严 重 的 将 造 成 电 池 爆 炸 极 粉 刺 穿 隔 膜 造 成 电 池 爆 炸 极 粉 内 短 路 内 层 负 极 片 掉 粉 刺 穿 隔 膜 , 造 成 电 芯 鼓 胀 电 芯 内 部 短 路 主 要 由 于 电 芯 极 耳 过 长 , 与 极 片
6、 或 与 壳 体接 触 造 成 短 路 . 或 极 耳 压 迫 卷 芯 , 导 致 正 负 极 短 路 . 引 起 电 芯 发 烫 , 严 重 时 会 导 致 爆 炸 . 过 充 电 (电 压 ) 外 短 路 过 温 : 150度 30 分 钟以 上 几 种 情 况 均 有 可 能 导 致 电 池 发 生安 全 性 事 故影 响 锂 离 子 电 池 安 全 性的 外 部 因 素 如 何 防 范 电 池 出 现 安 全 问 题 (1) 针 对 电 池 的 内 短 路 主 要 从 以 下 几 个 方 面解 决 电 池 结 构 设 计 优 化 在 关 键 工 序 使 用 自 动 化 设 备 和 改
7、善 工 夹 具 通 过 严 格 存 储 条 件 筛 除 微 短 路 和 内 短 路 电 芯 同 时 材 料 体 系 的 稳 定 性 也 有 助 于 安 全 性 的 改善 . 微 短 路 和 内 短 路 电 芯 的 筛 除 自 放 电 严 重 的 电 芯 有 安 全 隐 患 半 荷 电 电 芯 , 正 常 情 况 下 , 开 路 电 压 大 约 1个 月 压 降 为 15-20m V, 2 个 月 的 压 降 为 25-35m V, 半 年 压 降 为 50-60m V. 通 过 严 格 存 储 条 件 , 可 把 有 微 短 路 和 内 短 路 隐 患 的 电 芯 筛 除 . 如 何 防 范
8、电 池 出 现 安 全 问 题 (2) 针 对 外 短 路 , 过 充 ， 和 热 稳 定 性 主 要 从 电池 的 材 料 体 系 来 解 决 正 负 极 材 料 的 的 选 择 和 处 理 电 解 液 组 成 及 添 加 剂提 高 电 池 本 身 稳 定 性 和 安 全 性 . 过 充 安 全 性 主 要 与 电 芯 正 极 材 料 有 关 . LiCoO2 在4.2V 时 , 结 构 不 稳 定 并 放 出 氧 气 . 同 时 电 解 液 在 4.2V 时 分 解 , 与 LiCoO2反应 产 生 大 量 热 . 导 致 电 芯 内 压 急 剧 升 高 发 生 爆 炸 . 正 负 极 材
9、 料 的 选 择 和 二 次 处 理 选 择 安 全 性 和 稳 定 性 较 好 的 正 负 极 材 料 对 比 表 面 较 大 的 材 料 采 取 二 次 处 理 的 方 式 , 以降 低 正 负 极 材 料 的 反 应 活 性 . 其 好 处 是 明 显 的 电 解 液 的 添 加 剂 改 善 电 池 的 稳 定 性 : 提 高 电 池 的 循 环 性 和存 储 性 改 善 电 池 的 过 充 安 全 性 提 高 电 芯 的 高 ， 低 温 性 能 . 小 结 锂 离 子 电 池 是 高 能 量 , 长 寿 命 的 移 动 能 源 . 但 有一 定 安 全 隐 患 . 评 价 锂 离 子 电 池 优 主 要 从 三 个 方 面 :安 全 性 , 稳定 性 , 和 体 积 容 量 . 锂 离 子 电 池 性 能 取 决 与 材 料 , 设 计 和 工 艺 控 制 锂 离 子 电 池 的 安 全 性 问 题 是 一 个 综 合 性 问 题 ,要从 电 池 材 料 体 系 ， 结 构 设 计 和 工 艺 控 制 等 方 面着 手 解 决 .
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