锂离子电池生产安全讲座

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,2012,*,SZYSPX,易石培训室,SZYSPX,易石培训室,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,*,2012,锂离子电池的生产安全,安全管理人员培训讲座,2012,内 容,一、事故警示,二、锂离子电池生产基本概念,三、生产过程的危险与有害因素辨识,四、安全对策措施,2012,安,理,全,管,培,课,训,基本概念,锂电池燃、爆照片,锂电池事故,案例,1,：,2010,年,10,月,11,日，深圳,A,公司客户退回的锂电池在存放处发生自燃起火，工人用灭火器扑救后再次发生起火，过火面积,50,平方米左右。,案例,2,：,2012,年,2,月,19,日深圳,B,公司三楼清洗房发生发生火灾,火灾中一批手机锂电池被烧毁，两名工人因吸入浓烟感到不适送医院治疗。,案例,3,：,2012,年,8,月,22,日，,C,新能源公司，电器线路着火引发火灾事故，将三楼车间多台设备烧坏。,案例,4,：,2012,年,10,月,10,日,D,新能源科技有限公司的二楼仓库发生火灾事故，,15,时,30,分左右扑灭，无人员伤亡，将存放在库房中的锂电池烧，损失,400,万元。,案例,5,：,2012,年,11,月,28,日,A,公司老化房起火，烧毁多个货柜式老化房，待电池一批。,2012,安,理,全,管,培,课,训,基本概念,7,什么叫锂离子电池？,Li-Ion battery,锂离子电池是指,Li,+,嵌入化合物为正、负极的二次电池。,正极采用锂化合物,Li,X,CoO,2,、,Li,X,NiO,2,、,Li,X,MnO,2,、,LiFePO,4,和三元复合材料。,负极采用锂,-,碳层间化合物,Li,X,C,6,。,在充放电过程中，,Li,+,在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，被形象的称为“摇椅电池”。,充电池时，,Li,+,从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态。,放电时则相反。,8,锂离子电池的结构和组成,圆柱型锂离子电池,方型锂离子电池,软包装和聚合物锂离子电池,二次锂电池的构造,10,锂离子电池结构,正极,活性物质,导电剂、溶剂、粘合剂、基体,负极,活性物质,（石墨、,MCMB,、,CMS),粘合剂、溶剂、基体,隔膜,电解液,外壳五金件,（钢壳、铝壳、盖板、极耳、绝缘片、绝缘胶带）,11,锂离子电池结构,正极,正极基体：铝箔（约,0.016mm,厚,),正极物质：,LiFePO4+,碳黑,+PVDF,正极集流体：铝带（约,0.1mm,厚）,高温胶带（约,0.05mm,厚）,电池放电时从外电路获得电子的电极,此时电极发生还原反应。通常是电位高的电极。锂离子电池中的钴酸锂、锰酸锂电极等。,12,锂离子电池结构,负极,负极基体：铜箔（约,0.010mm,厚,),负极物质：石墨,+CMC+SBR,负极集流体：镍带（约,0.07mm,厚）,电池放电时向外电路输送电子的电极，此时电极发生氧化反应。通常是电位低的电极，锂离子电池中石墨电极。,13,能较好的溶解电解质盐，即有较高的介电常数；,应有较好的流动性，即低黏度；,对电池的其他组件应该是惰性的，尤其是充电状态下的正、负极表面；,在很宽的温度范围内保持液态，熔点要低，沸点要高；,安全性要好，即闪点要高，无毒。,电解液特性要求,14,电解液,溶 剂,锂 盐,添加剂,EC,、,PC,、,EMC,、,DEC,等,LiPF,6,、,LiClO,4,、,LiBF,4,等,防过充添加剂,阻燃剂,抑制气体生成,改善,SEI,膜性能,控制水和酸含量,锂离子电池电解液组成示意图,15,锂离子电池结构,隔膜,材质：单层,PE,（聚乙烯）或者,三层复合,PP,（聚丙烯）,+PE+PP,厚度：单层一般为,0.016,0.020mm,三层一般为,0.020,0.025mm,隔膜,是放置于两极之间，作为隔离电极的装置，藉以避免两极上的活性物质直接接触而造成电池内部的短路。但隔膜仍需能让带电离子通过，以形成通路。,隔膜要求：,离子透过度大,机械性强度适当,本身为绝缘体,不与电解液及电极发生反应,16,锂离子电池电化学反应机制,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,18,圆柱型锂离子电池的制造工艺流程,正极配料,来料检验,负极配料,正极涂布,负极涂布,正极制片,负极制片,隔 膜,卷 绕,入 壳,烘 烤,短路检验,滚 槽,注 液,封 口,化 成,密封性检验,分 容,外包装,出 厂,出厂检验,湿度控制,2012,安,理,全,管,培,课,训,危险有害因素分析,二次锂电池安全因素,1、最主要的因素是目前,电池能量密度大,，同样的体积的情况下要得到更高的容量必定会对其安全造成影响，所以我们不一定要求供应商最小的体积做最大的容量。,2、,过充,-对电芯过充电，当电压上升到4.6Vcell以上或更高时，电芯本体温度不断升高达到热爆炸的状态，从而发生破裂，冒烟，起火，爆炸的危险。,3、,短路,-因为电池容量大内部电阻低，所以外部短絡时通过大的电流，电池内部达到热爆炸的状态，从而发生破裂，冒烟，起火的危险。,4、因为,电解液,主要是由,有机溶剂,组成的,所以有燃烧的可能性。,1.,电解液的溶剂,锂,电池的电解液（电解质盐,LiPF,6,）溶剂主要组成是碳酸烷基酯，如碳酸二甲酯（,DMC,）,碳酸二乙酯（,DEC,）,碳酸甲乙酯（,EMC,）,等，都是沸点很低的可燃液体，遇火易燃烧。,六氟磷酸锂(LiPF6)有腐蚀作用。不可燃性，加热和酸类进行反应会产生有害的氟化氢。腐蚀性的氟化氢。氟化氢和金属反应会产生爆炸性的气体。,锂电池生产危险性,产生火花点燃电解液，进而殃及塑料机身和与之接触的易燃物，造成火灾；,引起电池内温度急骤上升，电池内空间很狭小，可能因压力增加而爆炸；,电池内温度上升较慢，电池外壳逐渐溶化，使有腐蚀性的电解液泄漏。,2.,储电的负极,充好电的负极储存了多量的强还原性物质碳化,锂,（嵌层化合物等），,LiC6,的电位接近3.0,V，,还原剂与金属,锂,差不多，遇水即可燃烧。,3.,枝晶,在一些设计或制作不好的,锂,电池中，长期循环会形成枝晶，,锂,金属沉积出来，形成粉末状单质（通常是电极边缘的灰黑色粉末），遇到空气即可燃烧，非常危险。,4.,内部短路,当电池的正负极之间隔膜被意外刺破（如枝晶生长，外力作用）导致正负极直接连通时，即为内部短路，大量能量在电池内部释放，很容易燃烧或爆炸。,要求其厚度，厂家，空气渗透性（,隔膜中孔的曲折程度，空气渗透性稳定，有利于提高锂离子电池的循环性能,），孔隙率（,适当的孔隙率能保证隔膜吸附足够的电解液，提高离子电导率,），自闭温度，熔融温度，热性能，力学性能（,隔膜的抗拉强度应保证在电池卷绕时不被拉断,），电导率,5.,电解液分解,在多种情况下，,锂,电池的电解液会产生气体，如电解液在循环充放电的过程中，不断与电极互相作用可能产生分解放出；,电解液中带有水分等杂质时，在充电时水分或酸被分解产生气体；,电解质盐,LiPF6,在高温下也可能分解，分解放出气体等等。这种气体在电池内部会形成压力，积累太多可能导致电池变形、泄漏甚至爆炸。,6.,外壳破坏,液,锂,电池通常用,钢壳或铝壳,封装,锂,离子电池。通常情况下没有什么问题，外壳也比较坚固。但在某些情况下，如充电设备或保护电路出现故障产生,过充电,，电池内部,隔膜被刺穿导致内部短路,等，导致电池内部温度迅速上升，压力也急剧增加，这时可能出现,安全阀,失灵或来不及动作，就会发现具破坏力的爆炸。对于铝塑复合膜包装的电池，如果包装膜被刺破、割破，可能发生电解液的泄漏。,7.,过充电,锂,离子电池中在某些情况下，如外部电路故障或未使用保护时，则可能因为各种原因产生气体：,1）正极被过度放电而释放,O2，,同时电极材料转变成不能再充电的形态，容量会明显下降。,2）电解液分解。这是产生气体的主要原因。可能产生的气体有二氧化碳，一氧化碳，甲烷，乙烷，乙烯等。,3）其它原因。如温度高时电解液汽化本身的蒸汽，添加剂产生的副反应等。,8.,电解液的毒性,锂,离子电池中最常用的电解质盐为六氟磷酸,锂,LiPF,6,，,它的电导率比较好，在有机溶剂中的溶解度高，耐氧化性好，是目前最重要的,锂,离子电解液电解质盐。但是它具有毒性，与水会反应生成有害的氢氟酸等，对环境和人的伤害性很大。,其它事故,1,注液不通风引起中毒,泄漏引起燃爆；,2,化成、老化时燃爆；,3,使用乙醇和丙酮擦洗容器，引起燃爆；,4,锂电池生产、储存中的自燃、爆炸十分突出；,5,锂电池生产过程中不精细操作留下安全隐患；,锂电池的安全隐患及事故目前无法杜绝。,2012,安,理,全,管,培,课,训,对策措施,技术措施,管理措施,培训教育,2012,技术措施,（一）工艺要求,-,电池材料、结构等,（二）老化房的要求,（三）仓库的安全技术要求,（四）管理要求,安全性的内部因素,-,结构,电池结构,结构设计的合理性,工艺,电池制作的过程控制,:,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,安全性的内部因素,-,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,安全性的内部因素,-,极粉内短路,内层负极片掉粉刺穿隔膜,造成电芯鼓胀,安全性的内部因素,-,电芯内部短路,主要由于电芯极耳过长,与极片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,.,内短路防范措施,电池结构设计优化,在关键工序使用自动化设备和改善工夹具,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,15-20mV,2,个月的压降为,25-35mV,半年压降为,50-60mV,.,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,.,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,安全性的外部因素,-,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,.,外短路防范措施,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,.,正负极材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,.,防范措施,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,.,电池安全性的解决措施,原则：必须兼顾电池的性能,.,正负极,和,电解液,等新材料开发，选用热力学更稳定的材料,电池设计：,不同形状、负极与正极容量比；,电池,制造过程：,浆料质量、涂布质量等，优化电池工艺,安全保护电路,：过充电保护、过放电保护和过电流,/,短路保护,二、老化室安全管理要求,建筑耐火等级符合“二级”及以上要求；,相邻房间应是非明火、散发火花地点；与其他房间相邻的墙应为无门、窗洞口的防火墙；,每处防火分区的面积（建议）控制在,5,平方米以下；,安装相应等级的防爆型电器设施；（风机、照明、插座、开关、线路、接头等）；,安装有