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            陶瓷界面(涂覆的隔膜)和鋰離子電池的安全性

            鋰電中國瀏覽量:6852時間:2014-06-30 10:48:00

            Zhengming(John)ZHANG(張正銘):

            我的題目是講鋰離子電話的安全性,鋰離子的電池安全性我到處都在講,這次我想把它縮短到最小一部分,想花更多的時間來談談陶瓷涂覆和隔膜。

            首先,謝謝我的組織,我的組織有很多的人,很多的單位,我就一并謝了。

            我們大家知道鋰離子電池的挑戰有很多,首先一個是安全性,如果電池不安全的話做電動汽車和做手機都不行,所以安全性很重要。第二是能量密度、長壽命以及大功率。我研究電池的內部短路的原因,主要是由于前段時間曾經出了很多安全性事情,特別是對于美國而言,已經上升到國家安全的層面。我有幸去受邀研究電池為什么會出現安全問題,比如導致核潛艇、航母和飛機不能上天。當我承擔了這個任務后就組織了一個大的團隊,專門去研究這個問題。這其中最重要的思路就是如何去解決。我講的鋰離子電池的安全性是一個很廣泛的詞語,鋰離子電池的安全性包含了一個很大的范疇,所以在這里面我僅僅就講一部分,比如說對于鋰離子電池的安全方面該選擇什么材料,我要談的,就是內部短路。起碼90%的各種各樣的安全性問題,都是由內部短路造成的。我總結下來有八種內部短路。

            首先就是內部短路,所謂的內部短路是內部的電子短路,不是離子短路。電子一流動就產生電化學反應,短路的地方肯定會產生熱,而這些熱量可以通過多種形式傳遞。我的團隊經過精確計算,發現可怕的是熱的傳感,即在電池內部的傳感,大面積的化學反應后就是熱失控。有了這樣的思路之后就要解決這個問題,因此我就把這個問題分成八小節去研究。

            第一,首先理解系統。這是一個多種體系,電路是怎么短路的,化學反應和熱的反應是怎么回事,因此我們有很多小組去研究這些工作。先講講電子和電阻,我們前面都聽到大家講說增加何種添加劑,如何能把電池電阻力做小,實際上遠沒有那么簡單。我們將一個裝置放在干燥箱里面,用銅來取代鋁,并使用經過化成、循環的電極進行檢測,有的是經過循環10次,有的是經過循環100次,在這些情況下去測電子的變化。因為經過化成以后電子會形成反彈,我們應該去測量的是電子的導電性能。

            簡單的講,通過測試我們看到裝置里的電子降低了,這種短路電子的電阻極是在變化的。我們把陰極和陽極滿充電放在一起,內部短路馬上會帶來大量的電化學反應,我們通過增加銅片,把電化學堵住。如果是陰極和陽極的短路電阻值就應該很大。我們得出的結論是,在兩種最極端的情況,短路電阻也就是說陰極和陽極之間活性物質的短路,比如說隔膜破了,這種短路并不可怕。因為所有的鋰離子物質當中都有短路,這種短路其結果就在隔膜紙上出現一個黑點,如果是在1.5~2hm平方的面積上,在上面只有240mA,對安全性來說不會產生問題。設計電池是一定要避免這種類型的短路,但這種類型的短路不可怕,尤其是對消費類電池的電子來說不可怕。

            實驗證明,陰極陽極之間的短路無論電池大小都沒危險。實驗人員模擬了一個簡單的化學電源,并在電池內部增加一個短路電阻。如果在短路點上產生的熱量很小,那影響就很小。我們今天講所謂的熱失控,是在很短的時間里面有大量的能量放出來,我們最關心的是功率能達到的最高值是多少。這是需要用科學的方法,科學的態度去對待的問題。

            電化學的過程,是一個復雜的過程,其中電解液也很重要。簡單來說,電解液會隨著時間一直變化,隨著循環的過程也一直在變化。我們通過一個電化學模型來理解這個過程。通過將熱模型、化學反應模型、以及140多種反應結合起來,可以模擬這一過程。內部短路只有在短路點上溫度才高,其他的都沒什么關系。這種很危險,很容易起火爆炸。我們的團隊通過熱成像方法測量短路的最高溫度,使得實驗非常成功。

            最危險的短路是鋁箔和陽極表面的短路,它的熱量從產生到最高時間很短,大約是2~3毫秒之間,如果這個電池恰好在1.3~1.5Ah以上就一定會出問題。小的短路線是銅箔和鋁箔,但這個體系在短路點上沒有達到最大的功率,所以安全性方面問題不大。經過鋁箔和銅箔的短路,隨著時間的增長,如果是小容量電池到能量就沒有了,大容量電池到能量還會延續下去,也會產生問題。所以就大電池而言銅箔和鋁箔的短路也會造成一些麻煩。

            這里要強調的是不能用熱電流去測溫度,用熱電流去測出來的數據不準確。同時,碳的熱傳導非?,在任何一種陰極材料上它的導熱都非常慢的,所以我們得出結論,無論是哪一種陰極,它自己都不會有產生大量熱量的危險反應,而負極往往是最重要的。結論是,開始是內部短路,熱量可以傳到到負極上去,然后在負極上的結果是產生大量的熱,這將使電池馬上開始冒白煙,所謂的冒白煙就是負極和電解液進行反應,還原產物就是白煙,這也會產生大量的熱。如果溫度很高,且陰極里面有氧和三元系,就等于火上澆油,最后電池將會爆炸。如果這個時候能見到火焰,同時也見到白煙,那就說明陰極參與了反應。如果用離子氧做陰極,一般來說看不到火焰和白煙,但此時不能暴露到空氣中,因為空氣中的氧氣也會使這個電池產生火焰。

            在整個過程當中,無論在陰極上涂還是在陽極上涂陶瓷涂覆,都會對電極來講是有很多的好處,當然最好是在隔膜上涂,因為這對于電池的安全性大有幫助。這里簡單的講一下陶瓷涂覆在隔膜上有哪些好處。

            第一,能量密度可以增加,沒有陶瓷涂覆隔膜電壓就不可能升高到4.3、4.45伏。第二,安全性改善,因為陶瓷涂覆可以成為導熱的主網層,同時使得陶瓷本身陰極和陽極可以隔開。還有增加了陶瓷涂覆之后可以增加循環壽命。第一,涂了陶瓷以后電解液很容易被吸附在里面,因此極化就很小,一般好的陶瓷隔膜可以大大的增加電池的循環壽命。第二,陶瓷如果涂覆在陰極或陽極上就是一種負擔,因為陰極、陽極經過壓實之后上面再去涂一層屬于畫蛇添足。陶瓷涂覆能夠把在附近氧化的產物吸收掉。黏結劑有兩種趨勢,一種是黏結劑越來越少,如果黏結劑越來越多,這個電池就需要很強的機械強度。

            我推薦的方法就是要真實的去測量一下庫容效率,99.9%不好,99.99%也不是很好,應該是99.9999%。另外可以測體積,經常測出來的氣體都是氫氣而不是二氧化碳。在陰極上被氧化測出來的東西應該是二氧化碳,但其實都是氫氣,原因是什么?氧化反應后產生大量的氫氣?梢钥闯,如果沒有涂覆的隔膜安全性很小,有涂覆的安全性就大一些。涂覆可以兩面涂陶瓷,可以單面涂陶瓷,可以少量的黏結劑涂陶瓷,也可以大量的黏結劑涂陶瓷。

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