锂离子电池使用安全性影响因素：解析与实践

锂离子电池在热冲击、过充、过放和短路等异常情况下，内部的活性物质及电解液等组分间将发生化学、电化学反应，产生大量的热量与气体，使电池内部压力升高，积累到一定程度可能导致电池着火，甚至爆炸。其主要原因包括：

（1）材料热稳定性 锂离子电池在一些异常情况下，如高温、过充、针刺穿透以及挤压等情况下，可以导致电极和有机电解液之间的强烈作用，如有机电解液的剧烈氧化、还原或正极分解产生的氧气进一步与有机电解液反应等，这些反应产生的大量热量如不能及时散发到周围环境中，必将导致电池内热的失控，最终导致电池燃烧、爆炸等事故。因此，正负电极、有机电解液相互作用的热稳定性是保证锂离子电池安全的首要因素。

（2）制造工艺 锂离子电池的制造工艺分为液态锂离子电池的制造工艺和聚合物锂离子电池的制造工艺。无论是哪种结构的锂离子电池，电极制造、电池装配等制造过程都会对电池的安全性产生影响。如正极和负极混料、涂布、辊压、裁片或冲切、组装、加注电解液的量、封口、化成等诸道工序的质量控制，都会影响电池的性能和安全性。浆料的均匀度决定了活性材料在电极上分布的均匀性，从而影响了电池的安全性。浆料细度太大，电池充放电时会出现负极材料膨胀与收缩比较大的变化，可能出现金属锂的析出；浆料细度太小，会导致电池内阻过大。涂布加热温度过低或烘干时间不足会使溶剂残留，黏结剂部分溶解，造成部分活性物质容易剥离；温度过高可能造成黏结剂炭化，活性物质脱落形成电池内短路。

以下为几项提高锂离子电池使用安全性的措施：

（1）使用安全型锂离子电池电解质　阻燃电解液是一种功能电解液，这类电解液的阻燃功能通常是通过在常规电解液中加入阻燃添加剂获得的。阻燃电解液是目前解决锂离子电池安全性最经济有效的措施。

使用固体电解质代替有机液态电解质，能够有效提高锂离子电池的安全性。固体电解质包括聚合物固体电解质和无机固体电解质。聚合物电解质，尤其是凝胶型聚合物电解质的研究近年来取得很大的进展，目前已经成功用于商品化锂离子电池中。干态聚合物电解质由于不像凝胶型聚合物电解质那样包含液态易燃的有机增塑剂，所以它在漏液、蒸气压和燃烧等方面具有更好的安全性。无机固体电解质具有更好的安全性，不挥发、不燃烧、不存在漏液问题，同时机械强度高、耐热温度明显高于液体电解质和有机聚合物，使电池的工作温度范围扩大。将无机材料制成薄膜，更易于实现锂离子电池小型化，并且这类电池具有超长的储存寿命，能大大拓宽现有锂离子电池的应用领域。(www.xing528.com)

（2）提高电极材料热稳定性 负极材料的热稳定性是由材料结构和充电负极的活性决定的。对于碳材料、球形碳材料，如中间相碳微球（MCMB）相对于鳞片状石墨，具有较低的比表面积，较高的充放电平台，所以其充电态活性较小，热稳定性相对较好，安全性高。具有尖晶石结构的Li₄Ti₅O₁₂，相对于层状石墨的结构稳定性更好，其充放电平台也高得多，因此热稳定性更好，安全性更高。因此，目前对安全性要求更高的动力电池中通常使用MCMB或Li₄Ti₅O₁₂代替普通石墨作为负极。通常负极材料的热稳定性除了材料本身之外（对于同种材料，特别对石墨来说），负极与电解液界面的固体电解质界面膜（SEI）的热稳定性更受关注，而这也通常被认为是热失控发生的第一步。提高SEI膜热稳定性的途径主要有两种：

①负极材料的表面包覆，如在石墨表面包覆无定形碳或金属层；

②在电解液中添加成膜添加剂，在电池活化过程中，它们在电极材料表面形成稳定性较高的SEI膜，有利于获得更好的热稳定性。

正极材料和电解液的热反应被认为是热失控发生的主要原因，因此提高正极材料的热稳定性尤为重要。与负极材料一样，正极材料的本质特征决定了其安全特征。LiFePO₄由于具有聚阴离子结构，其中的氧原子非常稳定，受热不易释放，因此不会引起电解液的剧烈反应或燃烧；在过渡金属氧化物中，LiMn₂O₄在充电态下热稳定性较好，所以这种正极材料的相对安全性也较好。此外，也可以通过体相掺杂、表面处理等手段提高正极材料的热稳定性。