全生命周期的锂离子动力电池的安全性能研究

全生命周期的锂离子动力电池的安全性能研究从2014年起我国的锂离子电动车在数量上呈现爆发式增长,在能量密度上成倍增加。作为一种能量密度较高的化学电源,锂离子电池本身具有一定安全风险,且随着能量密度的不断提高,风险不断上升。目前针对锂离子电池安全性能的研究大多数集中在新鲜电池上,对锂离子电池使用过程中的安全性能研究的非常的少,而使用过程中的锂离子电池的安全性关乎着人们的生命财产,因而研究锂离子电池全生命周期(容量保持率不低于80%)内的安全性能对其使用中的安全性监测有重大的指导意义。

本论文主要从四个方面研究了正极为三元材料、负极为石墨的车载电池的全生命周期内的以及循环至容量保持率为80%的安全性能,同时分析了电池的安全影响因素。(1)首先将循环600周后容量保持率90%的电芯按照国标GBT/31485要求进行安全测试,从测试结果可以看出,其电芯的整体通过率相比于分容后电芯有所提高。而循环至520周后容量保持率80%的电芯,析锂面积较大。

其电芯与分容后的相比,在针刺、过充测试的通过率有所提升,但在加热、短路测试的通过率有所下降。(2)其次为了探究电芯安全优劣化机理,接下来对循环后电芯拆解分析。循环600周后量保持率90%的电芯,在短路、过充测试中通过的一个重要原因是在充放电循环时固体电解质界面(SEI)膜增厚,造成极片电阻增加,从而使针刺时的短路电阻增大、过充时更容易极化到上限电压。

循环520周后量保持率80%的电芯的电芯容量快速衰减的原因是由于在循环过程中出现了大面积析锂,造成了锂的损失。其电池在加热、短路测试通过率降低的原因是大量析锂造成了电芯热稳定性下降。(3)由于电池在循环的后期很容易析锂,存在着电池内短路的风险,因而进一步探究了析锂对电芯安全的影响。

对80%容量保持率的电芯负极的析锂区与正常区分别做XPS测试分析,其试验结果证明负极析出的锂已变成了锂的化合物,因而造成正负极短路安全风险较小。通过DSC测试分析,析锂区的放热峰提前,同时放热峰面积增大,进而造成负极的热稳定性降低。电池在低温下充电也可能会析锂,低温析锂的短路风险更高,同时也会使电池的热稳定性下降。

但循环后的电池,在同样的条件下比循环前电池更难析锂。