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未來能源新趨勢:鋰離子電池


鋰電子電池在使用的過程中,最讓人擔心的并不是容量的衰降,而是使用過程中存在的安全問題,比如起火爆炸。

在鋰離子電池安全事件中,2013年波音公司多的787夢想客機因鋰離子電池的起火事件無疑是最引人注目的事件了。作為波音公司最新型號的飛機,787夢想客機采用了大量的鋰離子電池,也正是這些鋰離子電池導致了日本航空公司運營的787客機發生起火事故。事故原因調查結果顯示是因鋰離子電池自身的原因造成的,并不存在外部短路等因素。

針對鋰離子電池的安全性問題,多種用以提高鋰離子電池安全性的方法被研發出來。其中,最重要的就是電池控制系統(BMS)。

針對二次電池存在的一些缺點,例如壽命短、存儲能量少、使用安全性、串并聯使用問題、電池電量估算困難等問題BMS系統可以避免電池出現過度放電過度充電,延長電池的使用壽命,監控電池的狀態。BMS使用大大提高了鋰離子電池的安全性,在電池使用過程中,電池電壓降至限制電壓時,可以及時切斷對外供電,避免電池過度放電,損耗電池的壽命;在電池充電到限制電壓時,BMS可以及時切斷電源,避免電池過充。

經過多年的發展與運用,鋰離子電池隔膜除了可以起到隔開正負極的作用之外,還承擔著優化鋰離子電池安全性能的重擔。比如三層PP/PE隔膜,不僅可以作為PE隔膜在電池出現熱失控電池溫度上升至130℃左右的時候,位于中間層的PE隔膜發生融化,而兩側的PP隔膜因熔點較高,將保持形狀起到支撐的作用。融化的PE隔膜會堵塞PP隔膜上的微孔,從而直接阻斷正負極,使放電停止,從而抑制熱失控。而最近興起的陶瓷涂層隔膜,則是在傳統隔膜的基底上涂布一層金屬氧化物,比如氧化鋁,氧化鎂等當電池發生熱失控時,產生的高溫可能導致隔膜基底發生融化,但是由于陶瓷涂層的支撐作用,使隔膜不會發生收縮變形,從而避免正負極直接接觸發生短路,引起電池起火爆炸。

這些都是輔助措施,期望的是電池采用安全的電化學體系,本質上來說安全的電池才是可靠的。最常用的LCO/C體系,出現熱失控的溫度為159℃,當采用該體系的鋰離子電池的溫度超過159℃時,電池的產熱速率將高于散熱速率,使電池溫度持續上升。最終SEI膜分解,正極中鈷酸鋰材料發生分解,并產生氧氣,氧氣與電解液發生燃燒反應,產生更多熱量,促使進一步分解鈷酸鋰,造成惡性循環,最終導致電池起火爆炸。電池安全性最高的為LFP/LTO電池超過200℃才會發生熱失控,即便發生熱失控,LFP材料由于其穩定的橄欖石結構,也不會釋放出氧氣與電解液反應。其次為LPF/CNMC/C體系鋰離子電池,其發生熱失控的溫度達到了195℃。其中磷酸鐵鋰電池發生熱失控的主要原因在于溫度過高導致電池隔膜融化,造成正負極直接接觸,在整個熱失控的過程中,磷酸鐵鋰均不會發生分解,如果采用耐高溫的全陶瓷隔膜,磷酸鐵鋰的熱失控溫度會進一步提高。

磷酸鐵鋰是一種安全性極好的正極材料從安全和成本的角度考慮,磷酸鐵鋰是最適合應用在新能源汽車領域的鋰離子電池材料。隨著我國新能源汽車的逐步發展,磷酸鐵鋰材料將迎來廣闊的發展空間。



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