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动力电池安全设计系列之一:原材料选择

最近电动车烧的有点猛,各个院士、专家、学者们也纷纷开始对安全性进行了专门的探讨,也得出了一些方向性的建议和指导。本系列将从动力电池的设计、制造、测试等过程一一分析影响电池安全的各个因素,希望能起到抛转引玉的一个目的,毕竟,电动汽车的安全性是一个系统的工程,并不能一蹴而就。本文将从动力电池的原材料开始,对动力电池的安全性进行一一的分析,希望能引起大家的共鸣。

1、 正极材料

杂质含量:杂质含量包含金属和非金属,杂质越多,自放电的可能性会越大,如果颗粒过大,随着电池的使用,此颗粒有可能会越来越大,最终导致电池的短路,因而不管是正极材料厂家还是电池厂,都会采取一定的措施去控制原材料的杂质含量,例如烧结设备的选择,从金属更换为非金属,制作完成时也会有除杂的过程;在电池厂时也会有相关的检测手段和设备,使用时也得严格控制环境的粉尘等级等等,都是有效的防止杂质含量提高的手段;

磁性物质含量:主要是金属杂质中具有磁性的物质,这些物质如果含量过高,在使用过程中会形成一个个的活性位点,不断的沉积最终导致电池的内部短路,因而需要严格的把控,目前材料厂都会对自己所生产的原材料进行除磁,最终的检验标准也很严格,一般是ppb级别,检测方法一般是ICP法,在此就不在详述,有兴趣的小伙伴们可以查阅相关的资料;

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热稳定性:随着三元材料中镍含量的升高,正极材料的热稳定性会随之降低,这个一般用DSC或ARC去测量,温度过高导致正极材料的分解、释氧,引发热失控,所以对于这个指标,实际上是有两层意义,一方面,可以通过包覆、掺杂的方法提高正极材料的热稳定性;另一方面,可以通过控制电池的温度使用范围,去让电池达到一个合理的使用区间。

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2、 负极材料

和正极材料一样,也是有杂质含量、磁性物质含量以及热稳定性的要求,具体的影响机理和正极是类似的,在此不再详述。

3、 隔膜

隔膜作为主要的关键原材料,其很多指标都和安全直接相关;

穿刺强度:穿刺强度的大小直接影响着电池发生内部短路的可能性,理想状态当然是越大越好,但对于干法、湿法以及有涂层的隔膜来说是有区别的,随着技术水平的提高,隔膜的厚度是越来越薄,涂覆的东西也是越来越多,主流还是陶瓷,也有各自胶、甚至有导电剂等等,这些都能在一定程度上提高隔膜的穿刺强度。

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抗拉强度:对于卷绕型电芯而言,随着电池循环的不断进行,边角处的应力会随着正负极的不断膨胀而增大,所以对于隔膜的抗拉强度要求也是逐渐提高的,要求电池在整个使用周期内是安全的,实际上对于隔膜的要求也是很高的。

热收缩性:这个指标也很关键,对于动力电池的使用,不仅仅是在常温的情况下使用,其外部环境的变化,内部产热的变化,都会对隔膜横向和纵向的收缩带来影响,现在普遍的标准为105℃30min,一些企业的内部标准会比这个更高,这就要求隔膜企业对于隔膜的材质、生产工艺、涂覆材料的种类等等进行深入的研究,生产出更适应高能量密度电池的隔膜。

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闭孔温度:这个指标主要衡量的是隔膜在极端情况下的安全性能,也是一个很关键的指标,不同的材质是有不同的闭孔温度,干法和湿法也是有区别的。

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4、 电解液

对于锂离子电池的血液——电解液而言,其很多参数也和安全性是直接相关的,例如电解液的纯度、杂质含量等等,与正负极材料的相关参数也是类似的,现在主要讲一下与正负极材料不同的部分。

热稳定性:电解液的热稳定性与电池的安全直接相关,在电池发生热失效的情况下,电解液的热稳定性不足将会直接导致电池的起火爆炸,因而,目前,不燃电解液、惰性添加剂的研究是电解液的一个方向。

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电化学稳定窗口:这个参数直接关系到电池的上限电压以及安全电压,随着能量密度的提高,电池的上限电压也越来越高,所以相关的研究热点也在如何提高电解液的高电压稳定性以及和材料界面的相容性上。

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5、 其他材料

导电剂:

杂质含量是一个很重要的指标,很多导电剂在制作过程中是会引入金属离子杂质的,所以在使用时要控制杂质的含量;

溶剂:

NMP、纯水等的杂质含量;

粘结剂:

杂质含量;

胶:

杂质含量、分解温度、耐高压性能等等,都是与安全相关的性能;

胶带、保护套等:

杂质含量、耐高温性能、耐电解液性能等等,也直接与安全相关;

铝塑膜、电池壳、盖、极耳等:

杂质含量,铝塑膜的耐腐蚀性能等等,都是需要关注的地方;

小结:

随着动力电池能量密度的提高,安全性随之降低,本次主要从电池的原材料出发,简单介绍了一下与安全相关的指标,对于动力电池设计过程而言,其实是一个平衡的过程,怎么在安全和电性能之间做出一个平衡,需要广大锂电同仁们一直努力,才能做出高安全性、高能量密度的电池。

作者:锂电联盟会长

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