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,的安全性能,第一部分,锂离子电芯,不,不安全行,为发生的条,件,件和机理,起火：,电芯有火苗,、,、火焰出现,，,，电芯壳体,有,有灼烧痕迹,。,。,爆炸：,电芯内部材,料,料瞬间从电,芯,芯内部喷出,，,，电芯壳体,被,被分裂或撕,破,破的现象。,常,常伴有起火,燃,燃烧现象。,一.锂,离,离子电芯不,安,安全行为的,描,描述,二.锂离,子,子电芯不安,全,全行为的发,生,生机理,电芯的安全,问,问题主要由,电,电芯内部的热失控造成。电芯,体,体系的温度,由,由热量的产,生,生和散发两,个,个因素决定,，,，当电芯的,散,散热速率小,于,于电芯的发,热,热速率时，,电,电芯内部温,度,度持续升高,，,，继而引发,一,一系列放热,反,反应，使得,电,电芯内部热,量,量大量积累,，,，电芯内压,急,急剧上升，,发,发生爆炸。,由,由于锂离子,电,电芯所用有,机,机溶剂闪点,很,很低，极易,燃,燃烧，因此,爆,爆炸的同时,常,常伴随着燃,烧,烧现象。,电芯内部产,生,生热量的来,源,源有：,A、电解液,与,与正负极材,料,料的反应,B、电解液,的,的热分解,C、正负极,材,材料的热分,解,解,D、构成闭,合,合回路时，,由,由于内阻而,引,引起的热量,表1,组,组成电池材,料,料间的反应,列,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,的不安全行,为,为主要发生,在,在电池的非,常,常态状况下,。,。,这些状态包,括,括：,A、异常,充,充放电：如,过,过充和短路,等,等。,B、机械条,件,件滥用：如,冲,冲击、穿刺,、,、振动等。,C、异常受,热,热：高温热,冲,冲击等。,引起不安全,行,行为的最危,险,险因素,：,外短路、过,充,充、高温热,冲,冲击和内短,路,路,1.外短,路,路时不安全,行,行为的发生,机,机理,外短路时，瞬时电流非,常,常大，温度急剧,上,上升。当温,度,度达到130以上时，SEI膜分,解,解，,引发电解液,同,同阳极LixC6的放,热,热反应，,最终可能会,因,因热失控而,发,发生爆炸。,为了提高电,芯,芯的外短路,安,安全性能，,常,常选用具有Shut-down性,能,能的隔膜，,在,在温度达到130,以,以上时，隔,膜,膜发生闭孔,，从而达到,切,切断电池内,部,部电路的目,的,的。,2.,过,过,充,充电时不安,全,全行为的发,生,生机理,过充时，正,极,极电势随过,充,充程度的增,加,加而迅速上,升,升，当电压,超,超过电解液,的,的分解电压,时,时（约4.5V），造,成,成电解液的,氧,氧化分解，,并,并放出大量,的,的热，引起,电,电池温度的,升,升高。当电,池,池温度达到130时,，,，SEI膜,开,开始分解，,引,引发电解液,同,同阳极LixC6放热,反,反应，促使,电,电池温度继,续,续上升。当,电,电池内部局,部,部温度升高,到,到180,以,以上时，阴,极,极物质发生,分,分解析氧，,且,且过充堆积,在,在负极上的,过,过剩金属锂,会,会迅速融化,，,，并继续同,电,电解液发生,剧,剧烈反应，,产,产生大量的,热,热量并形成,高,高内压。从,而,而导致发生,爆,爆炸、燃烧,等,等不安全行,为,为。,因此过充时,，,，电解液在,过,过充正极表,面,面的氧化分,解,解是引起电,芯,芯温度升高,并,并导致热失,控,控的根本原,因,因。,explosion,3.,热,热冲,击,击时不安全,行,行为的发生,机,机理,随着温度的,升,升高，,SEI膜会,破,破裂，导致,嵌,嵌锂或未嵌,锂,锂的碳材料,和,和LiPF6放热反应,的,的发生,。而当温度,升,升高到180左右,时,时，以LiPF6为电,解,解质的EC,基,基体系的电,解,解液将发生,分,分解，使得,电,电芯的安全,性,性能进一步,降,降低。,当温度达到140,以,以上时，电,压,压波动很大,，,，继而降为,零,零，经分析,为,为隔膜收缩,破,破裂引起短,路,路，此后温,度,度急剧上升,，,，到193,时电芯,爆,爆炸。所以,隔,隔膜设计必,须,须注重。,explosion,4.内短路不安,全,全行为的发,生,生机理,厂家在发货,前,前已经剔除,了,了微短路的,电,电芯，市场,上,上电芯的不,安,安全行为主,要,要是由潜在微短路引起的。使,用,用时随着电,池,池的每一次,充,充放电，电,池,池厚度要经,历,历一个膨胀,收,收缩的过程,，,，此时如存,在,在粉尘、毛,刺,刺或锂枝晶,，,，则其可能,因,因受到挤压,而,而刺穿隔膜,，,，导致内短,路,路的发生，,从,从而引起安,全,全事故。,除了以上一,些,些安全测试,外,外，重物冲,击,击、针刺和,挤,挤压等也是,需,需要时常注,意,意的几个安,全,全测试项。,但,但此几项都,是,是破坏性实,验,验，只要电,芯,芯的材料、,结,结构设计和,生,生产过程没,有,有出现异常,，,，一般情况,下,下都是安全,的,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,安全,性,性能,改,改进,小,小组,成,成员,介,介绍,如,如下,：,：,安全,性,性能,改,改进,小,小组,成,成员,及,及分,工,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,电芯,的,的安,全,全性,能,能现,状,状,1.,一,一,些,些常,用,用型,号,号电,芯,芯的,安,安全,性,性能,现,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,阶段150,热冲,击,击测,试,试,温度,曲,曲线,看,看，,整,整改,后,后，,电,电芯,最,最高,温,温度,不,不超,过,过160,，没,有,有引,起,起热,失,失控,。,。,电压,始,始终,在,在3.9V以,上,上波,动,动，,最,最终,电,电压,为,为3.98V,，,，即,说,说明,没,没有,造,造成,内,内短,路,路。,3.,现,现,阶,阶段3C10V过,充,充测,试,试,电压,在,在刚,开,开始,时,时，,迅,迅速,上,上升,到,到4.5V左,右,右，,继,继而,电,电压,保,保持,平,平稳,，,，10min,后,后达,到,到5V，,此,此后,电,电压,急,急剧,上,上升,到,到10V,，,，电,流,流降,为,为0,，,，此,过,过程,与,与添,加,加的,防,防过,充,充添,加,加剂,有,有关,。,。,温度,变,变化,和,和电,压,压变,化,化保,持,持了,很,很好,的,的一,致,致性,，,，这,与,与电,芯,芯内,部,部反,应,应速,度,度有,关,关（,添,添加,剂,剂的,影,影响,）,）。,电,电芯,的,的最,高,高温,度,度为120。,三、,与,与国,内,内各,大,大厂,家,家电,芯,芯安,全,全性,能,能的,对,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