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4. 粘结剂与负极高活性物质的反应
负极活性物质LixC6与PVDF粘结剂的反应温度约从240℃开始,峰值出现在290℃,反应放热可达1500J/g。
由以上分析可以看出,锂离子电池的热失控,并不是瞬间完成的,而是一个渐进的过程。这个过程,一般由过充、大倍率充放电、内短路、外短路、振动、碰撞、跌落、冲击等原因,导致电池内部短时间内产生大量的热,并不断的累积,推动电池的温度不断上升。
一旦温度上升到内部连锁反应的门槛温度(约130℃),锂离子电池内部将会自发的产生一系列的放热副反应,并进一步加剧电池内部的热量累积和温度上升趋势,这一过程还会析出大量的可燃性气体。当温度上升到内部溶剂和可燃性气体的闪点、燃点时,将会导致燃烧和爆炸等安全事故。
刚出厂的锂离子电池通过安全测试认证,并不代表锂离子电池在生命周期中的安全性。根据我们前面的分析,在长期的使用过程中,会发生负极表面的锂金属沉积,电解液的分解和挥发,正负极活性物质的脱落,电池内部结构变形,材料中混入金属杂质,以及其他很多非预期的变化,这些都会导致电池发生内短路,进而产生大量的热量。再加上外部的各种滥用情况,如过充、挤压、金属穿刺、碰撞、跌落、冲击等,也会导致电池在短时间内产生大量的热量,成为热失控的诱因。
在锂离子电池的使用过程中,没有绝对的安全性,只有相对的安全性。我们要尽量避免滥用的情况出现,降低危害事件发生的概率,同时也要从正负极材料、电解液、隔离膜等主要成分入手,选择化学稳定性和热稳定性优良的材料,具有良好的阻燃特性,在出现内外部热失控的诱因时,降低内部副反应的发热量,或者具有很高的燃点温度,避免热失控现象的发生。在电池结构和壳体设计上面,要充分考虑结构稳定性,达到足够的机械强度,能够耐受外部的应力,确保内部不发生明显的变形。此外,散热性能也是需要着重考虑的,如果热量能够及时的散发出去,内部的温度就不会持续上升,热失控也就不会发生。
锂离子电池的安全性设计,是系统论,单纯的以正极材料分解发热来衡量锂离子电池安全性并不全面。从系统的角度讲,磷酸铁锂电池不见得一定比三元材料的电池更安全,因为最终影响热失控的因素很多,正极材料分解所产生的热量仅仅是其中的一个因素。
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