锂电池的安全性问题

目前的锂离子电池安全测试和评估是在各种滥用条件下对成品电池进行各种安全测试,并在这些条件下测试磷酸铁锂材料和磷酸铁锂电池的优异安全性能。与锂离子电池的安全性相关的更重要的因素是由于材料和电池的固有原因而导致短路的可能性以及更高的短路概率。另一方面,由于在充电和放电过程中由锂枝晶的出现引起的内部短路的安全问题,放弃了使用锂金属作为负极的锂二次电池。

锂电池的安全性问题

人们普遍认为锂离子电池在正常使用条件下是安全的,从日本丰田公司可以看出使用业内认为较不安全的镍基化合物。尽管磷酸铁锂材料是热力学的,但其热稳定性和结构稳定性是所有当前阴极材料中较高的并且已经在实际安全性能测试中得到验证,但是材料和电池短路的可能性是固有的。而且偶然,它可能是较不安全的。

首先,就材料制备而言,磷酸铁锂的固相烧结反应是复杂的非均相反应(尽管一些合成技术声称是液相合成工艺,但较终需要高温固相烧结的工艺)。有固相磷酸盐,氧化铁和锂盐,加上碳前体和还原气相。为了确保磷酸铁锂中的铁元素为正二价,烧结反应必须在还原气氛中进行,并且在将铁离子还原成正二价铁离子的过程中强还原气氛,那里将是一种积极的二价铁离子进一步还原成微量元素铁的可能性。元素铁导致电池微短路,这是电池中较忌讳的物质。这是日本在动力锂离子电池中不使用磷酸铁锂的主要原因之一。

此外,固相反应的一个重要特征是反应的缓慢和不完全,这使得在磷酸铁锂中痕量Fe2O3的可能性。美国的Argonne实验室将磷酸铁锂的高温循环不良的缺陷归因于Fe2O3。充电和放电循环期间的溶解和负极上的元素铁的沉淀。另外,为了提高磷酸铁锂的性能,需要对其颗粒进行纳米粒子化。纳米材料的一个重要特征是它们的低结构和热稳定性以及高化学活性,这也在一定程度上增加了铁磷酸铁中铁溶解的可能性,特别是在高温循环和储存条件下。实验结果还表明,通过化学分析或负电极上的能谱分析来测试铁的存在。

从制备磷酸铁锂电池的角度来看,由于磷酸铁锂纳米尺寸颗粒小,比表面积高,并且高比表面积活性炭具有强气体,例如空气中的水分,碳涂层工艺。吸附导致电极加工性能差,粘合剂对其纳米颗粒的粘附性差。在电池制备过程中或在充电和放电循环以及电池的存储期间,纳米颗粒容易与电极分离,导致电池的内部微短路。

据我们所知,磷酸铁锂电池在电池制造商的制造过程中和消费者的使用过程中都具有高的短路率。电池制造商经常从电池制备过程开始寻找问题,而磷酸铁锂材料固有原因引起的短路问题往往得不到认可。几年前,当汽车在高速公路上行驶时,美国A123 18650磷酸铁锂电池在电动汽车上爆炸。后来的调查得出结论,接线的螺钉没有拧紧,导致电池因过热而爆炸。但是,我们认为由于电池内部短路引起火灾爆炸的可能性更大。外部螺钉不拧紧产生的热量将导致18650型锂电池严重的火灾和爆炸现象。

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