什么是锂离子电池?动力锂电池安全问题探讨

2020-07-16

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        锂离子电池标称电压3.7V(3.6V),充电截止电压4.2V。由于锂离子电池自身具有一定的内阻,在输出电能为纯电动提供动力的同时会产生一定的热量,使得自身温度变高,当自身温度超出其正常工作温度范围间时将会损害整个电池的寿命和安全。



  什么是锂离子电池?


  锂离子电池是一种二次电池(充电电池),它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电时,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。


  锂离子电池是现代高性能电池的代表,由正极材料、负极材料、隔膜、电解液四个主要部分组成。锂离子动力电池在移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等、部分代替了传统电池。大容量锂离子电池已在电动汽车中使用,将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一,已经在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。


  除了锂离子电池电压高之外,由于锂离子动力电池组的保护板能够对每一个单体电池进行高精度监测,低功耗智能管理,具有完善的过充电、过放电、温度、过流、短路保护、锁定自恢复功能以及可靠的均衡充电功能,大大的延长了电池的使用寿命



动力锂电池安全问题探讨


  影响动力锂电池安全性能的因素贯穿了一个动力电池从电芯选材到使用终结的生命周期的始终,因此原因复杂多样层次丰富。电芯材料本身,电芯的制造过程,电池集成中关于BMS(电池管理系统)和安全性方面的设计和使用工况都是锂离子电池安全性表现的影响因素。



  在这些环节中,出现制造误差和滥用工况是无论如何也难以避免的,所以在这个现实条件下,对动力锂电池发生热失控的预案设计就显得尤其重要。锂电池管理系统(BMS)在动力电池的使用中被寄予解决关键问题的厚望。管理系统需要管理电池及其一致性,使其在不同条件下(温度,海拔高度,最大倍率,电荷状态,循环寿命)获得最大的能量储存、往返效率和安全性。


  BMS包括一些通用的模块:数据采集器,通讯单元和电池状态评估模型。随着动力锂电池的发展,对BMS的管理能力要求也更多更严苛。增加了比如热量管理模块,高压监控模块。通过这些安全性模块的增加,可望改善动力锂电池在使用过程中的安全可靠性。



  目前广泛使用的商用电解质的可燃性和液体状态对安全性来讲不是特别理想的选择。如果采用锂离子电导率σLi+>104Scm1的固态电解质,就可以一方面阻止锂枝晶刺破隔膜到达正极从而解决安全性问题,另一方面也可以解决负极与碳酸盐电解质接触和正极与水性电解液接触时产生的稳定性问题。


  解决动力锂电池热失控的主要方法


  冷却方式的提升


  热管理系统主要负责控制温度,确保电池一直处在一个合理的运行温度下。通常,热管理系统由整车控制器控制,在电池包温度异常时,通过空调系统进行及时散热或者加热,保证电池安全以及寿命。


    内部材料及结构的改进


  内部改进即从电芯内部的材料结构上进行改造,从而使锂电池具备更好的耐热、散热性能。以目前的研究热点来说,发展固态电解液;对正负极进行结构改造;以及引入安全性更高的隔膜材料都是从内部提升电池热性能的主流方法之一。


  随着锂离子电池的发展,原材料的发展,锂离子电池的安全性有了突破性进展。设计良好的散热结构和电池保护电路和管理系统都有利于提高锂离子电池的安全性,所以大容量动力锂电池的安全问题有望得到解决。


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