最近電動車燒的有點猛,各個院士、專家、學者們也紛紛開始對安全性進行了專門的探討,也得出了一些方向性的建議和指導。本系列將從動力電池的設計、制造、測試等過程一一分析影響電池安全的各個因素,希望能起到拋轉引玉的一個目的,畢竟,電動汽車的安全性是一個系統的工程,并不能一蹴而就。本文將從動力電池的原材料開始,對動力電池的安全性進行一一的分析,希望能引起大家的共鳴。

1、正極材料

雜質含量:雜質含量包含金屬和非金屬,雜質越多,自放電的可能性會越大,如果顆粒過大,隨著電池的使用,此顆粒有可能會越來越大,最終導致電池的短路,因而不管是正極材料廠家還是電池廠,都會采取一定的措施去控制原材料的雜質含量,例如燒結設備的選擇,從金屬更換為非金屬,制作完成時也會有除雜的過程;在電池廠時也會有相關的檢測手段和設備,使用時也得嚴格控制環境的粉塵等級等等,都是有效的防止雜質含量提高的手段;

磁性物質含量:主要是金屬雜質中具有磁性的物質,這些物質如果含量過高,在使用過程中會形成一個個的活性位點,不斷的沉積最終導致電池的內部短路,因而需要嚴格的把控,目前材料廠都會對自己所生產的原材料進行除磁,最終的檢驗標準也很嚴格,一般是ppb級別,檢測方法一般是ICP法,在此就不在詳述,有興趣的小伙伴們可以查閱相關的資料;

熱穩定性:隨著三元材料中鎳含量的升高,正極材料的熱穩定性會隨之降低,這個一般用DSC或ARC去測量,溫度過高導致正極材料的分解、釋氧,引發熱失控,所以對于這個指標,實際上是有兩層意義,一方面,可以通過包覆、摻雜的方法提高正極材料的熱穩定性;另一方面,可以通過控制電池的溫度使用范圍,去讓電池達到一個合理的使用區間;

2、負極材料

和正極材料一樣,也是有雜質含量、磁性物質含量以及熱穩定性的要求,具體的影響機理和正極是類似的,在此不再詳述。

3、隔膜

隔膜作為主要的關鍵原材料,其很多指標都和安全直接相關;

穿刺強度:穿刺強度的大小直接影響著電池發生內部短路的可能性,理想狀態當然是越大越好,但對于干法、濕法以及有涂層的隔膜來說是有區別的,隨著技術水平的提高,隔膜的厚度是越來越薄,涂覆的東西也是越來越多,主流還是陶瓷,也有各自膠、甚至有導電劑等等,這些都能在一定程度上提高隔膜的穿刺強度。

抗拉強度:對于卷繞型電芯而言,隨著電池循環的不斷進行,邊角處的應力會隨著正負極的不斷膨脹而增大,所以對于隔膜的抗拉強度要求也是逐漸提高的,要求電池在整個使用周期內是安全的,實際上對于隔膜的要求也是很高的。

熱收縮性:這個指標也很關鍵,對于動力電池的使用,不僅僅是在常溫的情況下使用,其外部環境的變化,內部產熱的變化,都會對隔膜橫向和縱向的收縮帶來影響,現在普遍的標準為105℃30min,一些企業的內部標準會比這個更高,這就要求隔膜企業對于隔膜的材質、生產工藝、涂覆材料的種類等等進行深入的研究,生產出更適應高能量密度電池的隔膜。

閉孔溫度:這個指標主要衡量的是隔膜在極端情況下的安全性能,也是一個很關鍵的指標,不同的材質是有不同的閉孔溫度,干法和濕法也是有區別的。

4、電解液

對于鋰離子電池的血液——電解液而言,其很多參數也和安全性是直接相關的,例如電解液的純度、雜質含量等等,與正負極材料的相關參數也是類似的,現在主要講一下與正負極材料不同的部分。

熱穩定性:電解液的熱穩定性與電池的安全直接相關,在電池發生熱失效的情況下,電解液的熱穩定性不足將會直接導致電池的起火爆炸,因而,目前,不燃電解液、惰性添加劑的研究是電解液的一個方向。

電化學穩定窗口:這個參數直接關系到電池的上限電壓以及安全電壓,隨著能量密度的提高,電池的上限電壓也越來越高,所以相關的研究熱點也在如何提高電解液的高電壓穩定性以及和材料界面的相容性上。

5、其他材料

導電劑:

雜質含量是一個很重要的指標,很多導電劑在制作過程中是會引入金屬離子雜質的,所以在使用時要控制雜質的含量;

溶劑:

NMP、純水等的雜質含量;

粘結劑:

雜質含量;

膠:

雜質含量、分解溫度、耐高壓性能等等,都是與安全相關的性能;

膠帶、保護套等:

雜質含量、耐高溫性能、耐電解液性能等等,也直接與安全相關;

鋁塑膜、電池殼、蓋、極耳等:

雜質含量,鋁塑膜的耐腐蝕性能等等,都是需要關注的地方;

小結:

隨著動力電池能量密度的提高,安全性隨之降低,本次主要從電池的原材料出發,簡單介紹了一下與安全相關的指標,對于動力電池設計過程而言,其實是一個平衡的過程,怎么在安全和電性能之間做出一個平衡,需要廣大鋰電同仁們一直努力,才能做出高安全性、高能量密度的電池。