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陶瓷界面(涂覆的隔膜)和锂离子电池的安全性

秒速飞艇中国浏览量:3985时间:2014-06-30 10:48:00

Zhengming(John)ZHANG(张正铭):

我的题目是讲锂离子电话的安全性,锂离子的电池安全性我到处都在讲,这次我想把它缩短到最小一部分,想花更多的时间来谈谈陶瓷涂覆和隔膜。

首先,谢谢我的组织,我的组织有很多的人,很多的单位,我就一并谢了。

秒速飞艇网站大家知道锂离子电池的挑战有很多,首先一个是安全性,如果电池不安全的话做电动汽车和做手机都不行,所以安全性很重要。第二是能量密度、长寿命以及大功率。我研究电池的内部短路的原因,主要是由于前段时间曾经出了很多安全性事情,特别是对于美国而言,已经上升到国家安全的层面。我有幸去受邀研究电池为什么会出现安全问题,比如导致核潜艇、航母和飞机不能上天。当我承担了这个任务后就组织了一个大的团队,专门去研究这个问题。这其中最重要的思路就是如何去解决。我讲的锂离子电池的安全性是一个很广泛的词语,锂离子电池的安全性包含了一个很大的范畴,所以在这里面我仅仅就讲一部分,比如说对于锂离子电池的安全方面该选择什么材料,我要谈的,就是内部短路。起码90%的各种各样的安全性问题,都是由内部短路造成的。我总结下来有八种内部短路。

首先就是内部短路,所谓的内部短路是内部的电子短路,不是离子短路。电子一流动就产生电化学反应,短路的地方肯定会产生热,而这些热量可以通过多种形式传递。我的团队经过精确计算,发现可怕的是热的传感,即在电池内部的传感,大面积的化学反应后就是热失控。有了这样的思路之后就要解决这个问题,因此我就把这个问题分成八小节去研究。

第一,首先理解系统。这是一个多种体系,电路是怎么短路的,化学反应和热的反应是怎么回事,因此秒速飞艇网站有很多小组去研究这些工作。先讲讲电子和电阻,秒速飞艇网站前面都听到大家讲说增加何种添加剂,如何能把电池电阻力做小,实际上远没有那么简单。秒速飞艇网站将一个装置放在干燥箱里面,用铜来取代铝,并使用经过化成、循环的电极进行检测,有的是经过循环10次,有的是经过循环100次,在这些情况下去测电子的变化。因为经过化成以后电子会形成反弹,秒速飞艇网站应该去测量的是电子的导电性能。

简单的讲,通过测试秒速飞艇网站看到装置里的电子降低了,这种短路电子的电阻极是在变化的。秒速飞艇网站把阴极和阳极满充电放在一起,内部短路马上会带来大量的电化学反应,秒速飞艇网站通过增加铜片,把电化学堵住。如果是阴极和阳极的短路电阻值就应该很大。秒速飞艇网站得出的结论是,在两种最极端的情况,短路电阻也就是说阴极和阳极之间活性物质的短路,比如说隔膜破了,这种短路并不可怕。因为所有的锂离子物质当中都有短路,这种短路其结果就在隔膜纸上出现一个黑点,如果是在1.5~2hm平方的面积上,在上面只有240mA,对安全性来说不会产生问题。设计电池是一定要避免这种类型的短路,但这种类型的短路不可怕,尤其是对消费类电池的电子来说不可怕。

实验证明,阴极阳极之间的短路无论电池大小都没危险。实验人员模拟了一个简单的化学电源,并在电池内部增加一个短路电阻。如果在短路点上产生的热量很小,那影响就很小。秒速飞艇网站今天讲所谓的热失控,是在很短的时间里面有大量的能量放出来,秒速飞艇网站最关心的是功率能达到的最高值是多少。这是需要用科学的方法,科学的态度去对待的问题。

电化学的过程,是一个复杂的过程,其中电解液也很重要。简单来说,电解液会随着时间一直变化,随着循环的过程也一直在变化。秒速飞艇网站通过一个电化学模型来理解这个过程。通过将热模型、化学反应模型、以及140多种反应结合起来,可以模拟这一过程。内部短路只有在短路点上温度才高,其他的都没什么关系。这种很危险,很容易起火爆炸。秒速飞艇网站的团队通过热成像方法测量短路的最高温度,使得实验非常成功。

最危险的短路是铝箔和阳极表面的短路,它的热量从产生到最高时间很短,大约是2~3毫秒之间,如果这个电池恰好在1.3~1.5Ah以上就一定会出问题。小的短路线是铜箔和铝箔,但这个体系在短路点上没有达到最大的功率,所以安全性方面问题不大。经过铝箔和铜箔的短路,随着时间的增长,如果是小容量电池到能量就没有了,大容量电池到能量还会延续下去,也会产生问题。所以就大电池而言铜箔和铝箔的短路也会造成一些麻烦。

这里要强调的是不能用热电流去测温度,用热电流去测出来的数据不准确。同时,碳的热传导非常快,在任何一种阴极材料上它的导热都非常慢的,所以秒速飞艇网站得出结论,无论是哪一种阴极,它自己都不会有产生大量热量的危险反应,而负极往往是最重要的。结论是,开始是内部短路,热量可以传到到负极上去,然后在负极上的结果是产生大量的热,这将使电池马上开始冒白烟,所谓的冒白烟就是负极和电解液进行反应,还原产物就是白烟,这也会产生大量的热。如果温度很高,且阴极里面有氧和三元系,就等于火上浇油,最后电池将会爆炸。如果这个时候能见到火焰,同时也见到白烟,那就说明阴极参与了反应。如果用离子氧做阴极,一般来说看不到火焰和白烟,但此时不能暴露到空气中,因为空气中的氧气也会使这个电池产生火焰。

在整个过程当中,无论在阴极上涂还是在阳极上涂陶瓷涂覆,都会对电极来讲是有很多的好处,当然最好是在隔膜上涂,因为这对于电池的安全性大有帮助。这里简单的讲一下陶瓷涂覆在隔膜上有哪些好处。

第一,能量密度可以增加,没有陶瓷涂覆隔膜电压就不可能升高到4.3、4.45伏。第二,安全性改善,因为陶瓷涂覆可以成为导热的主网层,同时使得陶瓷本身阴极和阳极可以隔开。还有增加了陶瓷涂覆之后可以增加循环寿命。第一,涂了陶瓷以后电解液很容易被吸附在里面,因此极化就很小,一般好的陶瓷隔膜可以大大的增加电池的循环寿命。第二,陶瓷如果涂覆在阴极或阳极上就是一种负担,因为阴极、阳极经过压实之后上面再去涂一层属于画蛇添足。陶瓷涂覆能够把在附近氧化的产物吸收掉。黏结剂有两种趋势,一种是黏结剂越来越少,如果黏结剂越来越多,这个电池就需要很强的机械强度。

我推荐的方法就是要真实的去测量一下库容效率,99.9%不好,99.99%也不是很好,应该是99.9999%。另外可以测体积,经常测出来的气体都是氢气而不是二氧化碳。在阴极上被氧化测出来的东西应该是二氧化碳,但其实都是氢气,原因是什么?氧化反应后产生大量的氢气。可以看出,如果没有涂覆的隔膜安全性很小,有涂覆的安全性就大一些。涂覆可以两面涂陶瓷,可以单面涂陶瓷,可以少量的黏结剂涂陶瓷,也可以大量的黏结剂涂陶瓷。

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