液态电解质对锂离子电池安全性能的影响因素

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文件编号：KG-AO-2503-64 液态电解质对锂离子电池安全性能

的影响因素

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摘要：锂离子电池的安全安全问题成为近年来制约其迅速发展的瓶颈。那么要如何才能解决其安全问题呢？本文从影响电池安全性能的因素出发，以液态电解质为例，从优化电解液的组成到使用特殊的添加剂等方面论述了液态电解质与电池安全问题的关系。

引言

锂离子电池由于具有能量密度高、输出电压高、循环寿命长、环境污染小等优点，在小型数码电子产品中获得了广泛应用，在电动汽车、航空航天等领域也具有广阔的应用前景。然而，近年来用于手机、数码相机和笔记本电脑中的锂离子电池爆炸伤人事件已经屡见不鲜，锂离子电池的安全问题引起人们广泛的关注。目前安全问题已成为制约锂离子电池向大型化、

高能化方向发展的瓶颈。

一、引起锂离子电池安全问题的主要原因

1、电池系统的安全问题。锂离子电池作为一个系统，其安全问题主要源于滥用情况下热失控的发生。电池系统的热失控即为系统产生的热量大于释放的热量而导致热量积累，温度迅速升高的过程。锂离子电池发生热失控，主要是由电极和电解液间的化学反应引起的。

2、易燃的电解质。锂离子电池具有较高的能量密度，在于其较高的输出电压。在通常的正负极材料的工作电位下，水溶液难以稳定使用，所以锂离子电池电解液使用有机溶剂。而有机溶剂通常极易燃烧，特别是电解液中的线型碳酸酯具有较高的蒸气压和较低的闪点，使锂离子电池在安全性上背上了沉重的负担。

3、电池材料的热稳定性。锂离子电池安全性能的另一个更重要的方面即是其热稳定性。在一些滥用状态下，如高温、过充电、针刺穿透以及挤压等情况下，导致电极和有机电解液的强烈相互作用，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失到周围环境中，必将导致热失控的产生，最终导致电池的燃烧、爆炸。

二、改善电池安全性能的途径

电池安全性能的改善主要途径有：

1、使电池系统更稳定，以避免热失控的发生；

2、使用更安全的电解液体系，即使热失控发生，也不会因为易燃电解质存在而导致电池燃烧或者爆炸。

三、液态锂离子电池电解质

电解液作为锂离子电池的血液，是电池的主要组成成分之一，电解液的性质直接决定了电池的性能，在电池中起传递锂离子的作用。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。

3.1、电解质对锂离子电池安全问题的影响

电解液对锂离子电池的安全问题的影响分为多种方面，主要包括以下3个方面：

电解液通常使用的溶剂为有机碳酸酯类化合物，

它们具有高活性，极易燃烧。处于充电态的电池正极材料为强氧化性化合物，同时处于充电态的负极材料为强还原性化合物。在滥用情况下，如过充、过热和短路等，强氧化性正极材料稳定性通常较差，易释放出氧气，而碳酸酯极易与氧气反应，放出大量的热和气体；产生的热量会进一步加速正极的分解，产生更多的氧气，促进更多放热反应的进行；同时强还原性负极的活泼性接近金属锂，与氧接触会立即燃烧并引燃电解液、隔膜等，从而引起了电池的热失控，使电池产生燃烧和爆炸。

电极/有机电解液相互作用的热稳定性是制约锂离子电池安全性的首要因素。就正极和负极与有机电解液相互作用的热稳定性对锂离子电池的安全性的影响而言，正极/电解液反应对锂离子电池的安全性的影响最为重要。虽然，负极/电解液首先发生反应，但正极/电解液的反应动力学非常快，正极/电解液反应控制着整个电池耐热实验的结果。通常正极材料在充电状态下很不稳定，容易分解并放出氧气，放出的氧气

与电解液发生反应并产生热量，从而导致电池的温度升高，引起更多的反应发生导致热失控。如果电池的环境温度足以引发正极/电解液反应，就会导致电池的热失控状态，而高活性的不稳定的电解液就像是在电池热失控这把火上浇了一桶油。

在锂离子电池电解液的安全问题上，电解液本身相当于可燃物，而且在一些滥用条件下，电池内部产生足够的热量常使正极释放出氧气，为电解液的燃烧提供了助燃物，但是由于生成的氧气量有限，通常导致电解液的不完全燃烧。但是这样的燃烧仍然产生大量的热和气体，导致电池系统的破坏，打开一个缺口，然后从电池内部喷出的气体或气溶胶，和空气充分反应，导致剧烈地燃烧，甚至爆炸。

3.2 电解液改善措施

既然电解液对电池安全性能的影响至关重要，那么改善电解液对电池安全性能的影响就是重中之重。对电解液的改善则需从以下几方面进行着手：提高电解液中有机溶剂的纯度：微量杂质的存在

对电池性能的影响非常大，提高电解液中有机溶剂的纯度，可以保证电解液中有机溶剂较高的氧化电位，降低LiPF6的分解，减缓SEI膜的溶解，防止气胀。溶剂的纯度直接影响到其氧化电位，从而进一步影响电解液的稳定性。

锂盐的选择：用的锂盐主要有LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6等。LiClO4是一种强氧化剂，使用LiClO4 的电池高温性能不好，而且LiClO4 本身受撞击容易爆炸；LiBF4 的热稳定性差，LiAsF6有毒且价格昂贵。这3种锂盐在生产上都很少使用，仅在实验室有所使用。LiPF6是目前锂离子电池中最常用的电解质盐，但其热稳定性也不理想，而且制备过程复杂，遇水易分解。寻求能替代LiPF6的新型锂盐是提高电池安全性能的途径之一。现几乎所有的锂盐都是离子化合物，而离子化合物在室温下一般是固体，强大的离子键使阴、阳离子束缚在晶格上只能做振动而不能转动和平动。如果把阴、阳离子做得很大且结构不对称，那么由于空间位阻的影响，强大的静电力也无法