锂离子电池热失控原因及对策研究进展

锂离子电池热失控原因及对策研究进展

程

琦，兰倩，赵金星，刘畅，曹元成*

（江汉大学光电化学材料与器件教育部重点实验室，化学与环境工程学院，柔性显示材料与技术湖北省协同创新中心，湖北

武汉430056）摘要：综述了高安全型锂离子电池研究的最新进展和发展前景。主要从电解质和电极的高温稳定性方面

介绍了锂离子电池热不稳定性产生原因及其机制，阐明了现有商用锂离子电池体系在高温时的不足，提出开

发高温电解质、正负极修饰以及外部电池管理等来设计高安全型锂离子电池。对开发安全型锂电池的技术前

景进行了展望。

关键词：锂离子电池；热稳定；安全性；阻燃添加剂；固态电解质

中图分类号：TQ152文献标志码：A 文章编号：1673-0143（2018）01-0011-06

DOI ：10.16389/42-1737/n.2018.01.002

Research Progress of Causes and Countermeasures on Thermal Runaway of Lithium Ion Battery

CHEN Qi ，LAN Qian ，ZHAO Jinxing ，LIU Chang ，CAO Yuancheng *

（Key Laboratory of Optoelectronic Chemical Materials and Devices of Ministry of Education ，School of Chemistry and Environmental Engineering ，Flexible Display Materials and Technology Co-Innovation Centre of Hubei Province ，

Jianghan University ，Wuhan 430056，Hubei ，China ）Abstract ：The recent progress and development prospects of high safety lithium ion batteries were re⁃viewed in this paper.The writer mainly introduced the reasons and mechanism of lithium ion battery′s

thermal instability from the aspects of high temperature stability of electrode and electrolyte.The deficiency of the existing commercial lithium ion battery system at high temperature was explained.The

development of high temperature electrolyte ，positive and negative electrode′s modification and external battery management were proposed to design a high security lithium ion battery.Finally ，the writer

discussed the expectation of the safety lithium ion battery.Key words ：lithium ion battery ；thermal stability ；security ；flame retardant additive ；solid electrolyte

0引言

锂离子电池因其低成本、高性能、大功率、绿环境等诸多优势，成为一种新型能源的典型代表，广泛应用于3C 数码产品、移动电源以及电动工具等领域。近年来，因环境污染加剧以及国家政策引导，

收稿日期：2017-09-26

基金项目：国家863柔性显示技术（2015AA033406）；湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目（T201318）；

武汉市应用基础研究项目（2015011701011593）；武汉市第4批黄鹤英才计划以及江汉大学科研启动基金

项目（08010001）；江汉大学武汉研究院开放项目（IWSH2016348）

作者简介：程琦（1989—），男，硕士生，研究方向：锂离子电池。

∗通讯作者：曹元成（1979—），男，教授，博士，研究方向：功能材料与器件。E-mail ：yuancheng.cao@

第46卷第1期2018年2月江汉大学学报（自然科学版）J.Jianghan Univ.（Nat.Sci.Ed.）Vol.46No.1Feb.2018

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江汉大学学报（自然科学版）总第46卷

以电动汽车为主的电动交通工具市场对锂离子电池的需求不断加大，在发展大功率锂离子电池体系过程中，电池安全问题引起了广泛重视，存在的问题急需进一步解决［1］。

电池体系的温度变化是由热量的产生与散发两个因素决定的。锂离子电池热量的产生主要是热分解和电池材料之间的反应所致。降低电池体系的热量和提高体系的抗高温性能，电池体系则安全。与小型便携式设备如手机、笔记本电池容量一般小于2Ah不同，电动汽车采用的功率型锂离子电池容量一般大于10Ah，其在正常工作时局部温度常高于55℃，内部温度会达到300℃以上［2］，在高温或者大倍率充放电条件下，高能电极的放热和可燃性有机溶剂温度的上升将引起一系列副反应的发生，最终导致热失控和电池的燃烧或者爆炸［3］。除其自身化学反应因素导致热失控外，一些人为因素如过热、过充、机械冲击导致的短路同样也会导致锂离子电池的热不稳定从而造成安全事故的发生。因此研究并提高锂离子电池的高温性能具有重要的现实意义。

1热失控原因分析

锂离子电池的热失控主要是因电池内部温度上升而起。目前商业锂离子电池中应用最广的电解液体系是LiPF6的混合碳酸酯溶液，此类溶剂挥发性高、闪点低、非常容易燃烧。当冲撞或者变形引起的内部短路，大倍率充放电和过充，就会产生大量的热，导致电池温度上升。当达到一定温度时，就会导致一系列分解反应，使电池的热平衡受到破坏。当这些化学反应放出的热量不能及时疏散，便会加剧反应的进行，并引发一连串的自加热副反应。电池温度急剧升高，也就是“热失控”，最终导致电池的燃烧，严重时甚至发生爆炸［2-3］。

总的来说，锂离子电池热失控原因主要集中在电解液的热不稳定性，以及电解液与正、负极共存体系的热不稳定性两个大的方面［4］。

目前从大的方面来看，安全型锂离子电池主要从外部管理和内部设计两个方面来采取措施，控制内部温度、电压、气压来达到安全目的。

2解决热失控的策略

2.1外部管理

1）PTC（正温度系数）元件：在锂离子电池中安装PTC元件，其综合考虑了电池内部的压力和温度，当电池因过充而升温时，电池内阻迅速提高从而限制电流，使正负极之间的电压降为安全电压，实现对电池的自动保护功能［2，4］。

2）防爆阀：当电池由于异常导致内压过大时，防爆阀变形，将置于电池内部用于连接的引线切断，停止充电。

3）电子线路：2~4节的电池组可以预埋电子线路设计锂离子保护器，避免过充及过放电，从而避免安全事故发生，延长电池寿命［4］。

当然这些外部控制方法都有一定效果，但这些附加装置增加了电池的复杂性和生产成本，也不能彻底解决电池安全性问题。因此，有必要建立一种内在的安全保护机制。

2.2改进电解液体系

电解液作为锂离子电池的血液，电解液的性质直接决定了电池的性能，对电池的容量、工作温度范围、循环性能及安全性能都有重要的作用［2-5］。目前商用锂离子电池电解液体系，其应用最广泛的组成是LiPF6、碳酸乙烯酯和线性碳酸酯。前面两个是不可或缺的成分，它们的使用也产生了电池性能方面某些局限，同时电解液中使用了大量低沸点、低闪点的碳酸酯类溶剂，在较低的温度下即会闪燃，存在很大的安全隐患［5］。因此，许多研究者尝试改进电解液体系以提高电解液的安全性能。在电池的主体材料（包括电极材料、隔膜材料和电解质材料）在短时间内不发生颠覆性改变的情况下，提高电解液的稳定性是增强锂离子电池安全性的一条重要途径［4-5］。

2.2.1功能添加剂功能添加剂具有用量少、针对性强的特点。即在不增加或基本不增加电池成本、不改变生产工艺的情况下能显著改善电池的某些宏观性能。因此，功能添加剂成为当今锂离子电池