锂电池爆炸机理研究精要.ppt

锂离子电池爆炸机理研究锂离子电池爆炸机理研究唐致远陈玉红天津大学研究工作的意义研究工作的意义锂离子二次电池以其高比能量、较高的工作电压、体积小、重量轻等优点已成为移动通讯、笔记本电脑等便携式电子产品的主要电源之一。然而,锂离子电池在充放电过程中由于使用不当,会出现爆炸的危险;特别是在滥用条件下(如受热、过充、短路、振动、挤压等),电池会出现燃烧、爆炸乃至人员受伤等情况。因此,研究锂离子电池的爆炸机理对提高锂离子电池的安全性有重要的意义。锂离子电池中热量的主要来源: 锂离子电池中热量的主要来源: 一. 碳负极表面主要存在三种放热反应: ● SEI 膜的热分解反应: SEI 膜的热分解反应一般在 120 ℃左右,反应放出的热量很低,以此热量来加热电池,仅会使其升高几度,不会带来危险。● Li xC 6与溶剂的反应: Li xC 6与溶剂反应的起始温度一般发生在 120 ℃以上,放出的热量与 x值、锂盐、溶剂有关,并且反应热比较大,在某种情况下可能是电池失控的主要原因。● Li xC 6与粘结剂的反应:尽管粘结剂与 Li xC 6的放热量比较大(起始温度 260 ℃左右,放出的热量大于 1000J/g ), 但由于粘结剂在负极中所占的比例有限,因此不会成为电池爆炸的主要原因。表表 1. SEI 分解+ LiC 6/溶剂 1497 90~290 Li 2C 6 /PVDF 1647 >260 Li 2C 6/溶剂 1388 210 ~230 LiC 6 /PVDF 1500 240 ~350 Li 6/溶剂 425 210 ~230 41 130 Li 6 /PVDF 1025 >260 350 100 ~120 257 80~120 备注放热量( J/g ) 温度范围(℃) 备注放热量( J/g ) 温度范围(℃) 放热量( J/g ) 温度范围(℃) Li xC 6 /PVDF Li xC 6/溶剂 SEI 分解二. 正极表面存在的几种主要放热反应常用的正极材料(如 LiCoO 2、 LiNiO 2、 LiMn 2O 4)在充电状态时处于亚稳定状态。温度升高到 200 ℃左右会发生分解放出氧气并氧化溶剂(也有人认为电解液与正极的反应发生在氧气释放之前,其机理有待于深入研究)。正极材料的分解起始温度和放热量与材料的种类、嵌锂状态、材料的比表面积有关,表2总结了一些正极材料的热稳定性。表表 2. 290 297 270 LiNi 3/8 Co 1/4 Mn 3/8O 2520 252 221 LiFePO 4860 280 209 LiMn 2O 41100 256 181 LiCoO 21600 228 197 LiNi Co 21600 220 175 LiNi Co Ti Mg O 21300 209 182 LiNiO 2放热量( J/g ) 放热峰温度( ℃) 起始温度( ℃) 正极材料部分正极材料热稳定性的比较部分正极材料热稳定性的比较 LiNiO 2 < LiNi Co 2 < LiCoO 2 < LiMn 2O 4 < LiFePO 4 < LiNi 3/8 Co 1/4 Mn 3/8O 2 三. 电解液的热分解反应●电解液的热分解反应( 200 ℃以上)主要是在温度升高时溶剂与电解质的反应。其分解温度和放热量与电解质锂盐的种类及浓度,溶剂的种类以及溶剂的配比有关。●当锂离子电池充电电压超过电解液的分解电压(大于 )时,电解液也会发生分解反应,放出热量,并产生气体。●电池有内阻( R c), 当电流通过负极时,内阻产生的热量为 I 2R ct,有时称之为极化内阻热。当电池外部短路时,电池内阻热占主导地位。锂离子电池内部的主要放热反应: 锂离子电池内部的主要放热反应: ?锂离子电池的燃烧或爆炸主要是由于温度升高时,电池内部的活性物质及电解液组分之间发生化学与电化学反应产生大量的热与气体所致,图 1表示锂离子电池内部存在的主要放热反应。图 1. 锂离子电池内部存在的主要放热反应引起锂离子电池燃烧或爆炸的几种可能性: 引起锂离子电池燃烧或爆炸的几种可能性: ●当锂离子电池受热时,电池内部的反应如一个反应链,各个反应相互促进,依次进行。首先是 SEI 膜分解放出热量加热了电池, 促使负极与溶剂的反应放出更多的热量,导致负极与粘结剂的反应、溶剂分解,接接着正极开始进行热分解反应,放出大量的热与气体,最后导致电池燃烧或爆炸。●在锂离子电池充电初期,电流通过电池时一部分电能转化为热能, 欧姆极化