原创电动车的安全性_锂电池结构与安全_1

 2010-7-18 16:58  3613 7 8 分类: 汽车电子

对于电动车的讨论，目前大部分行内行外的都在谈论着电池，镍氢和铅酸电池一般都被划分到传统的一栏，更多的看中着锂电池的发展。这里试图做一些整理和分析，主要关于锂电池的安全性问题。

初步文稿，有点修正和添加。

如果有兴趣和足够的耐心可以看这篇博士论文，作为一个比较深入的探讨。

http://wenku.baidu.com/view/82ab71563c1ec5da50e270a4.html

我们现在所谈的锂电池一般是指锂离子电池，它是在锂电池基础上改进获得的。

锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是锂。电池组装完成后电池即有电压,不需充电.这种电池也可能充电,但循环性能不好,在充放电循环过程中,容易形成锂枝晶,造成电池内部短路,所以一般情况下这种电池是禁止充电的。

目前采用的含锂的化合物作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过，右边是由碳（石墨）组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。
充电状态下，正极中的锂离子Li+经过电解液运动，通过聚合物隔膜向负极迁移；负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。

在放电过程中，负极中的锂离子 Li+通过隔膜向正极迁移。嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。

锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的，整个过程中锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。这里把锂离子电池成为锂电池。单体的锂电池可分为硬壳体和软包装两种
1.硬壳体：电池上下盖，正极，隔膜，负极，有机电解液，电池壳（分为钢壳和铝壳两种）
2.软包装系列：正极，隔膜，负极，有机电解液，电池壳——铝塑复合膜

网上搜集而来的锂离子的成本示意图

正极材料

电解液材料：根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为液态锂离子电池LIB)和聚合物锂离子电池(LIP)两大类。主要区别在于电解质的不同, 锂离子电池使用的是液体电解质, 而聚合物锂离子电池则以聚合物电解质来代替。聚合物锂离子电池使用了胶体电解质，因此不会象液体电液泄露，生产时候装配较为容易，单体电池会相对轻薄；另外一点是可以在产生漏液与燃烧爆炸等安全性能上有改进，这也是软包装系列的基础，否则无法使用铝塑复合薄膜制造电池外壳。

安全性问题

1.短路问题

a.外部短路时，由于外部负载过低，电池瞬间大电流放电。在内阻上消耗大量能量，产生巨大热量。

b. 内部短路，主要原因是隔膜被穿透[某些锂离子电池在过充的情况下反应过快的时候，锂离子在负极堆积形成枝晶，刺穿隔膜，形成内部短路。]

内部形成大电流，温度上升导致隔膜熔化，短路面积扩大，进而形成恶性循环。

2.气体性的问题

锂离子电池内部的有机电解液或聚合物在大电流，高温的条件下会被电解，电解产生气体，导致内部压力升高，严重会冲破壳体。聚合物电池在使用软包装的时候，在内部产生气体时可更早的突破壳体，避免气体聚集过多，产生激烈涨裂。但聚合物电池并没有从根本上解决安全性问题。
在大电流和高电压的情况下，正极锂的氧化物也会发生氧化反应，析出金属锂，在气体导致壳体破裂的情况下，与空气直接接触，导致燃烧，同时引燃电解液，发生强烈火焰，气体急速膨胀，发生爆炸。

目前采取的安全性解决办法

电池组的自动断路器：用完整的BMS来检测单体电池，当电池内的温度上升时，它的阻值随之上升，温度随之增加，当温度较高的时候，BMS会考虑自动断开。注意这个问题涉及到整车安全和电气安全之间的妥协，试想一下汽车在高速公路上开着，而BMS检测到某个单体电池温度过高。那该怎么办？

1.单体电池内部常使用PTC作为过流保护元件。由于电池内部具有置于正极端子与电极卷之间的限流装置PTC，电池过充时当电解液发生分解、电池温度迅速上升时，该装置开始作用并切断电流。
2.考虑使用自收缩的陶瓷隔膜，当温度上升到一定数值时，隔膜上的微米级微孔会自动溶解掉，从而使锂离子不能通过，电池内部反应停止。
3.采用气体安全阀，电池内部压力上升到一定数值时，安全阀自动打开，保证电池的使用安全性。

就锂电池而言，韩国人似乎取得了阶段性胜利。LG的子公司CPI公司在锂离子电池领域居于领先地位，目前LG化学还向通用、福特、沃尔沃、现代、起亚、CT＆T和伊顿供应锂离子电池。并且在FORD的市区短途运输的Transit Connect Electric、福特Focus电动车、两款下一代混合动力车以及一款插电式混合动力车上都直接向FORD提供电池组。

以下的表格咨询略有些不准，我已经做了一定的更改。