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复纳“锂”论|锂电池安全分析及预防

 发布时间:2021-11-26 点击量:576

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10 月 22 日,四川省住建厅在新修订的《四川省物业管理条例》中,将“电动车禁入电梯"写进四川地方立法,违者处 500 元以下罚款,《条例》将于 2022 年 5 月 1 日起施行。


11 月 1 日起,《南京市电梯安全条例》正式实施。南京禁止电动车进入乘客电梯,进入者可罚款,高至 1000 元。


从安全事故发生到地方政府立法禁止,仅过去数月。如此快速的举措,反映出整个社会对锂电池安全的担忧。


影响锂电池安全的因素


清华大学-核能与新能源技术研究院的研究人员将锂电池安全性失效的原因归纳为如下 6 类:


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锂离子电池发生安全性事故的主要原因


1. 热稳定性


锂离子电池安全事故大多以热失控方式发生,其基本特征是:大多由最初的内短路产生热量,由于电池的导热性较差,热量积累推高电池的温度,当温度升高至引发电池内部的链式化学反应时,电池温升将逐渐加速,直至电池内化学反应放热量极大,任何散热手段都无法阻止电池温升,即电池发生热失控。


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2. 金属异物


在《锂离子电池正极材料的质量管理》中指出,锂离子电池的性能与正极材料的质量息息相关,当正极材料中存在铁(Fe)、铜(Cu)、铬(Cr)、镍(Ni)、锌(Zn)、银(Ag)等金属杂质时,这些金属会先在正极氧化再到负极还原,当负极处的金属单质累积到一定程度,其沉积金属坚硬的棱角就会刺穿隔膜,造成电池自放电。


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金属异物刺穿隔膜示意图


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扫描电镜下的各类金属异物


3. 负极析锂


负极析锂也被认为是引发锂离子电池安全性的可能原因。在大倍率充电、低温充电,或者是电池制造中的涂布偏差等均可能导致负极中析出金属锂,由于金属锂反应活性强、容易反应产热,使得电池内化学反应发生的条件阈值降低,即电池安全性降低。


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析锂导致电池短路的示意图


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扫描电镜下观察到的锂枝晶


4. 隔膜瑕疵


隔膜瑕疵是过去被常常忽略的问题。隔膜微孔的均匀性是很难通过产品质量确认的,大部分均通过电池企业的电池成品率来确认。例如:一个微孔被堵是很难被检测出来的,但是局部隔膜孔被“堵"(也可以是局部阻抗增大)可能导致局部锂金属析出,引发安全事故。


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扫描电镜下的隔膜(左:纳米微孔特征;右:宏观空洞缺陷及异物)


5. 极片变形/微短路


电池受到外界剧烈撞击,或者正负极片放置不当造成极片接触短路,或正极片接触等。


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扫描电镜下的极片(左:截面;右:表面)


6. 设计/制造缺陷


设计/制造过程中引入的缺陷或瑕疵比较多,例如:切片产生的毛刺可能导致内短路,由于涂布误差导致正负极局部容量配备失衡引起的锂析出,由于卷绕电芯的掉粉导致的内短路,由于制造偏差导致的极片边缘正负极短路,由于极耳焊接导致隔膜局部收缩引发内短路等,这些问题均可以通过过程检测在生产制造过程发现,是可以被消除的安全隐患。


预防锂电池安全事故 - 对锂电池厂家而言


1. 加强检测与管控


在最新的国家标准《锂离子电池正极材料检测方法 磁性异物含量和残余碱含量的测定》(征求意见稿)中,将扫描电镜检测金属异物的方法写入国家标准。


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飞纳台式扫描电镜 ParticleX 全自动清洁度分析系统,可以全自动对正负极、浆料、环境中的金属异物进行识别 / 分析 / 统计。(延伸阅读🔍:锂电行业都在关注丨电池材料清洁度检测新方案)


2. 进行工艺改进


鉴于热失控的本质是电池内部各种材料间的化学反应,因此,通过改进电池材料的热稳定性,例如正极材料包覆,可以提升锂离子电池的安全性,降低安全性事故的破坏性。(下一期我们将为大家详细介绍 ForgeNano 在锂电池材料改性生产工艺中的应用)


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预防锂电池安全事故 - 对个人消费者而言


此前天津消防曾科普过,电动车在四种情况下很容易发生自燃:

1. 线路破损

2. 擅自改装

3. 超出使用年限

4. 线路短路

个人消费者应对照以上 4 点进行排查。


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