锂离子电芯的安全性能

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,锂离子电芯的安全性能,第一部分,锂离子电芯不安全行,为发生的条件和机理,起火：,电芯有火苗、火焰出现，电芯壳体有灼烧痕迹。,爆炸：,电芯内部材料瞬间从电芯内部喷出，电芯壳体被分裂或撕破的现象。常伴有起火燃烧现象。,一.锂离子电芯不安全行为的描述,二.锂离子电芯不安全行为的发生机理,电芯的安全问题主要由电芯内部的,热失控,造成。电芯体系的温度由热量的产生和散发两个因素决定，当电芯的散热速率小于电芯的发热速率时，电芯内部温度持续升高，继而引发一系列放热反应，使得电芯内部热量大量积累，电芯内压急剧上升，发生爆炸。由于锂离子电芯所用有机溶剂闪点很低，极易燃烧，因此爆炸的同时常伴随着燃烧现象。,电芯内部产生热量的来源有：,A、电解液与正负极材料的反应,B、电解液的热分解,C、正负极材料的热分解,D、构成闭合回路时，由于内阻而引起的热量,表1 组成电池材料间的反应列举,温度（,）,化学反应,反应热（J/g）,评 述,130150,Li,x,C,6,与电解液的反应,350,SEI钝化膜分解,130150,PE熔化,190,吸热,160180,PP熔化,90,吸热,200500,Li,0.45,CoO,2,分解,450,约在230,时放出,O,2,130220,LiPF,6,分解,250,放热较少,240350,Li,x,C,6,与粘结剂反应,1500,链增长，反应剧烈,锂离子电池的不安全行为主要发生在电池的非常态状况下。,这些状态包括：,A、异常充放电：如过充和短路等。,B、机械条件滥用：如冲击、穿刺、振动等。,C、异常受热：高温热冲击等。,引起不安全行为的最危险因素,：,外短路、过充、高温热冲击和内短路,1.外短路时不安全行为的发生机理,外短路时，,瞬时电流非常大,，温度急剧上升。当温度达到130,以上时，SEI膜分解，,引发电解液同阳极LixC6的放热反应，,最终可能会因热失控而发生爆炸。,为了提高电芯的外短路安全性能，常选用具有Shut-down性能的隔膜，在温度达到130 以上时，隔膜发生闭孔,，从而达到切断电池内部电路的目的。,2.过充电时不安全行为的发生机理,过充时，正极电势随过充程度的增加而迅速上升，当电压超过电解液的分解电压时（约4.5V），造成电解液的氧化分解，并放出大量的热，引起电池温度的升高。当电池温度达到130时，SEI膜开始分解，引发电解液同阳极LixC6放热反应，促使电池温度继续上升。当电池内部局部温度升高到180以上时，阴极物质发生分解析氧，且过充堆积在负极上的过剩金属锂会迅速融化，并继续同电解液发生剧烈反应，产生大量的热量并形成高内压。从而导致发生爆炸、燃烧等不安全行为。,因此过充时，电解液在过充正极表面的氧化分解是引起电芯温度升高并导致热失控的根本原因。,explosion,3.热冲击时不安全行为的发生机理,随着温度的升高，,SEI膜会破裂，导致嵌锂或未嵌锂的碳材料和LiPF6放热反应的发生,。而当温度升高到180左右 时，以LiPF6为电解质的EC基体系的电解液将发生分解，使得电芯的安全性能进一步降低。,当温度达到140 以上时，电压波动很大，继而降为零，经分析为隔膜收缩破裂引起短路，此后温度急剧上升，到193 时电芯爆炸。所以隔膜设计必须注重。,explosion,4.,内短路不安全行为的发生机理,厂家在发货前已经剔除了微短路的电芯，市场上电芯的不安全行为主要是由,潜在微短路,引起的。使用时随着电池的每一次充放电，电池厚度要经历一个膨胀收缩的过程，此时如存在粉尘、毛刺或锂枝晶，则其可能因受到挤压而刺穿隔膜，导致内短路的发生，从而引起安全事故。,除了以上一些安全测试外，重物冲击、针刺和挤压等也是需要时常注意的几个安全测试项。但此几项都是破坏性实验，只要电芯的材料、结构设计和生产过程没有出现异常，一般情况下都是安全的。,第二部分,内,内,短,短,路,路,一、,内,内短路产生,的,的原因,就材料体系,的,的使用而言,，,，正常情况,下,下对于电芯,的,的不安全行,为,为影响不是,很,很大。而真,正,正影响安全,性,性能的主要,是,是由内短路,引,引起的热失,控,控造成的，,所,所以内短路,的,的控制是非,常,常重要的。,而,而内短路的,产,产生，主要,是,是由电芯设,计,计、生产控,制,制的不合格,而,而造成的。,短,短路后瞬间,电,电流大，温,度,度急剧升高,，,，最后由热,失,失控而产生,一,一系列的不,安,安全现象。,引起内短路,的,的因素,A、粉尘,B、正负极,电,电极片的错,位,位,C、电极片,的,的质量（毛,刺,刺）,D、析锂（,锂,锂枝晶）,E、电解液,分,分布不均匀,内短路的发,生,生：,A、外界引,发,发式：不正,常,常使用引起,的,的内短路,B、自发式,：,：正常使用,时,时的内短路,二、内短,路,路的控制,1.,电,电极片,质,质量控制,活性物质分,布,布均匀,无毛刺,无颗粒,无脱浆,无缺陷极片,2.,粉,粉尘,控,控制,生产环境粉,尘,尘控制,电极片除尘,卷绕防尘架,的,的应用,3.,设,设计上,考,考虑隔膜的,收,收缩率,在电芯不合,理,理使用而产,生,生热量后，,隔,隔膜横向、,纵,纵向方向上,的,的收缩是必,须,须考虑的，,否,否则可能由,于,于隔膜的收,缩,缩而使得电,芯,芯内部正负,极,极接触而发,生,生内短路，,使,使电芯的不,安,安全性大大,提,提高。,4.,装,装配,控,控制,定位卷针的,使,使用,定位槽的使,用,用,短路测试控,制,制,5.,锂,锂枝,晶,晶的控制,加强制浆、,涂,涂布管理，,改,改善极片的,一,一致性和均,匀,匀性。,控制正负极,电,电极片的搭,配,配,电解液的浸,润,润,化成控制,老化控制,第三部分,现,现,状,状,描,描,述,述,一、团,队,队,介,介 绍,随着市场的,推,推动，风华,锂,锂电一直对,产,产品的安全,性,性能非常重,视,视，公司在,以,以前大量工,作,作的基础上,，,，于2003年12月,专,专门成立了,安,安全性能改,进,进小组，全,面,面的对我们,产,产品的安全,性,性能进行改,进,进，并取得,了,了较好的成,绩,绩。,现将安全性,能,能改进小组,成,成员介绍如,下,下：,安全性能改,进,进小组成员,及,及分工,姓 名,职 位,职 称,工作重点,刘会冲,总 经 理,教授级高工,全面协调工作,艾新平,技术顾问,教 授,提供技术支持,杨绍斌,技术顾问,教 授,提供技术支持,廖钦林,副 总,高 工,负责技术协调,韩建国,研发部长,工 程 师,负责实验策划,艾尚达,副 总,高 工,协调生产实施,张健群,工艺部部长,高 工,工艺协调及文件制作,李乐生,品管部部长,工 程 师,协调检验,李尹庆,研发部长,工 程 师,技术改善实验,刘亚明,研发人员,工 程 师,左志良,研发人员,工 程 师,黄 浩,质量工程师,工 程 师,协助检测及检,验文件的制作,李雄妹,质量工程师,工 程 师,丁 剑,质量工程师,工 程 师,二、电芯的,安,安全性能现,状,状,1.,一,一些常用型,号,号电芯的安,全,全性能现状,型号规格,外短路,热冲击,过充,130,150,3C5V,3C10V,383450AS,OK,OK,OK,OK,OK,433048A,OK,OK,OK,OK,OK,443450A,OK,OK,OK,OK,OK,523450A,OK,OK,OK,OK,大部分,安 全,063048A,OK,OK,OK,OK,103450AR,OK,OK,OK,OK,安全阀,完全开启,2.,现,现阶段150,热冲击测试,温度曲线看,，,，整改后，,电,电芯最高温,度,度不超过160,，没有引起,热,热失控。,电压始终在3.9V以,上,上波动，最,终,终电压为3.98V，,即,即说明没有,造,造成内短路,。,。,3.,现,现,阶,阶段3C10V过充测,试,试,电压在刚开,始,始时，迅速,上,上升到4.5V左右，,继,继而电压保,持,持平稳，10min后,达,达到5V，,此,此后电压急,剧,剧上升到10V，电流,降,降为0，此,过,过程与添加,的,的防过充添,加,加剂有关。,温度变化和,电,电压变化保,持,持了很好的,一,一致性，这,与,与电芯内部,反,反应速度有,关,关（添加剂,的,的影响）。,电,电芯的最高,温,温度为120。,三、与国内,各,各大厂家电,芯,芯安全性能,的,的对比,厂家,型号,3C10V过充,150热冲击,A,053450A,各2只,安 全,2只全部,爆炸,保温时间分别为：16min 17min,B,103450AR,各4只,4只全部,爆炸,全4只部,爆炸,，保温时间分为：,6in、7min、9min、10min,C,063450A,各2只,1只安全阀成功开启，1只从安全阀处开裂，,着火,冒烟,1只安全阀成功开启,1只从安全阀处开裂，,着火,冒烟,383450A,各2只,1只,爆炸,，1只从安全阀处开裂，,着火,冒烟,2只从安全阀处开裂，,着火,冒烟,D,383450A,各4只,全部,爆炸,1只合格3只,爆炸,，保温时间分,别为：23in、24min、28min,E,523436A,各2只,安 全,2只全部,爆炸,，保温时间分别为：7min 12min,规格,发货总数（只）,爆炸案,例,不安全率,备注,383450A,总数,280.2万,2,0.71PPM,改进前,43.1万,2,03年11月2日前,改进后,237.1万,0,0PPM,523450A,总数,119.8万,4,3.3PPM,改进前,18.4万,2,改进后,101.4万,2,1.9PPM,433048A,总数,175.6万,0,0PPM,03年12月开始供货,443450A,总数,4.8万,0,0PPM,总供货,580.4万,6,1.03PPM,03年11月2日前,61.5万,4,6.5PPM,改进后,518.9万,2,0.38PPM,总结：,从以上数据来看，ZTE,V210用,FHP443048A 175万只,及,V7系列用改进后的,FHP383450A,237万只,无任何安全问题，说明改进是有效的。,三、对中兴,供,供货电芯的,安,安全性能评,估,估汇总,五、需要开,展,展和完善的,工,工作,极片质量的,控,控制,内短路的进,一,一步控制,电解液添加,剂,剂的使用,过充添加剂,热稳定性添,加,加剂,安全阀泄压,装,装置的完善,材料优化体,系,系的选择,附两个拍摄,记,记录光碟：,A.150,热冲击过程,B.3C10V过,充,充过程,演讲完毕，,谢,谢谢观看！,