【原創】鋰電安全性能比拼:半固態VS鈦酸鋰
                      發布時間:2022-12-05 來源:中國粉體網     分享到:

                             鋰離子電池廣泛應用于消費電子、動力電池及儲能等領域,其在方便人們生產、生活的同時,也存在一定的安全問題,有關鋰離子電池起火、爆炸的事件時有發生。 

                             安全問題是鋰離子電池與生俱來的,鋰離子電池自身是一種儲能裝置,內部存儲的能量瞬時釋放會產生大量的熱。此外,由于工作電壓高,鋰離子電池難以使用無機材料,而采用有機材料體系,是誘發安全問題的主要原因之一。引起鋰離子電池安全問題的因素可以分為外部因素和內部因素。內部因素與電池的設計、選材與生產工藝有關,例如電池自身由于金屬雜質、電極毛刺等原因導致隔膜刺穿,從而引發正負極內部短路。外部因素是指鋰離子電池受到過充、短路、振動、擠壓等外部應力后內部物質發生熱失控從而引發起火爆炸。 對于鋰離子電池存在的安全問題,可以通過 提高電解液的安全性、提高電極材料的安全性以及改善電池的安全保護設計等手段提升電池的安全性能。

                      1、固態電池

                             在電解質方面,采用非可燃性固態電解質來代替傳統的液態電解液是一種有效策略。采用固態電解質的電池即固態電池,較之傳統的鋰離子電池,其最突出的優點就是安全性。固態電池正極材料不容易析氧,負極可以含有金屬鋰,不容易和鋰持續發生副反應,也不容易熱失控,不容易脹氣,高溫穩定性好。固態電解質的絕緣性使得其良好地將電池正極與負極阻隔,避免正負極接觸產生短路的同時能充當隔膜的功能。固態電池技術的核心在于電解質的革新,最終目標是實現電解質的全固態化;隨著電池能量密度需求的不斷上升,技術難題也不斷增大,而混合固液電池則可以作為全固態電池重要的過渡技術,在技術革新的過程中逐步減少對液態電解質的應用,從液態逐步實現到半固態、準固態,最終實現全固態的目標。目前,半固態電池已經逐步量產。

                      2、鈦酸鋰電池

                             在電極材料方面,有研究者指出,鋰離子電池充電態的正極會釋放氧氣,只產生較少熱量,即電池不會被內部短路的熱量產生點燃;但有負極存在時,強還原性的負極(碳系材料)會消耗正極產生的氧氣,并產生大量熱,最終導致整個電池出現熱失控。換句話說,碳系材料本身是易燃物,再加上碳系材料嵌鋰會形成化合物LiC6,其性質接近于鋰單質,在空氣中就可以直接自燃。所以,鋰電池的安全性短板是因為存在碳系負極材料,是材料本身的安全隱患。有鑒于此,鈦酸鋰電池受到關注。

                             鈦酸鋰材料突破了傳統石墨負極二維層狀結構的局限,具有穩定的三維晶體結構,在充放電過程中,材料結構幾乎不發生變化,被稱為“零應變材料”。與石墨負極材料相比,鈦酸鋰材料幾乎不形成熱穩定性差的SEI膜,避免了SEI膜在高溫分解時引發的熱失控導致電池起火、爆炸的隱患。 鈦酸鋰材料對鋰金屬電位更高,避免了電池在過充過程中生成枝晶,安全穩定性更好;同時,具備三維的鋰離子傳輸通道,可高倍率充放電:在-50℃極低溫至60℃的超高溫范圍內實現完全充放電。

                      3、半固態電池VS鈦酸鋰電池

                             對于半固態電池與鈦酸鋰電池的安全性能,有研究人員對其進行了安全測試。依據相關標準,研究人員分別對兩種電池進行了針刺試驗、極限過充試驗、短路試驗、極限加熱試驗,并根據測試結果對兩種電池在軌道交通方面的應用做出評估。

                      (1)兩種電池的性能參數

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                      (2)半固態電池VS鈦酸鋰電池測試結果

                       ①針刺實驗

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                      通過針刺試驗,兩組試驗對象僅存在些許壓降及一定溫升,除此之外無明顯表現現象。

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                             極限過充試驗中,鈦酸鋰電池出現起火,半固態磷酸鐵鋰電池在鼓包一段時間后泄氣并過充至19V。根據測試曲線,半固態磷酸鐵鋰電池過充持續時間僅10min,發生過充故障時SOC為117%;鈦酸鋰電池過充持續時間48min,發生過充故障時SOC為218%。在起火前,鈦酸鋰電池溫升變化率低于半固態磷酸鐵鋰電池,起火瞬間溫度產生突變。兩種電池均能符合相關標準要求,且鈦酸鋰電池的過充能力(耐受過充時間)遠高于半固態磷酸鐵鋰電池。

                      ③短路實驗


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                             短路試驗中,兩種電池的最大短路電流均大于800A,最大溫升在100K左右,半固態磷酸鐵鋰電池存在明顯鼓包現象,鈦酸鋰電池無明顯表現現象。

                       ④極限加熱實驗

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                             極限加熱試驗過程中,兩組電池均在200℃以下發生溫度突變,同時電壓快速降低至0V并伴隨著較為劇烈的冒煙現象。兩種被試品的過溫能力都遠高于標準規定的130℃,具有較高的安全性。

                             通過測試可以看出,半固態磷酸鐵鋰電池和鈦酸鋰電池均具有較高的安全性。鈦酸鋰電池具有很高的過充能力,可長時間承受過充;半固態磷酸鐵鋰電池雖然過充能力較差,但在過充后沒有產生起火現象,具有很好的安全性。研究人員認為鈦酸鋰電池具備大倍率充放電性能,在軌道交通領域可以作為首選動力電池進行應用。半固態磷酸鐵鋰電池雖然其功率性能及壽命不如鈦酸鋰電池,但在某些特定場景中(比如軌道交通的輔助系統、備用電源及功率性能要求較低的調車動力電池等方面)也具有很好的應用前景。

                       小  結 

                             以上是對半固態電池與鈦酸鋰電池安全性問題的介紹。電池安全無小事,同時它也是一個綜合性問題,并非由單個因素決定。鋰電安全需要從技術、政策、產業、市場等多方面進行完善,非一朝一夕之功,未來鋰電安全任重而道遠。

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