锂离子动力电池的安全性问题-艾新平

锂离子动力电池的安全性问题分析（）摘要：本文从锂离子电池材料和制作工艺两个方面分析影响锂离子电池安全性能的因素，并进一步分析锂离子电池组安全性的关键问题。

关键词：锂离子电池；安全性能；热稳定性；影响因素Power type lithium ion battery safety problem analysis(Electrical Engineering College, Longdong University, Qingyang 745000, Gansu, China)Abstract:This article from the lithium ion battery materials and production process analysis of two aspects of influence of lithium ion battery safety performance factors, and further analysis of lithium ion battery safety problems.Key words:Lithium ion battery; Safety performance; Thermal stability; Influence factors.0 引言锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。

在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。

一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池。

是现代高性能电池的代表。

锂离子电池是最晚研究而商品化进程最快的一种高性能电池。

锂离子电池以其独特的优势目前以成为各个领域广泛应用的新能源。

锂离子电池具有电压高、比能量高、循环性能好等特点，越来越广泛应用发的3C市场领域、电动车(EV)和混合型电动车(HEV)市场领域、军事用途及空间技术领域。

电动汽车锂离子动力电池安全性问题的分析随着人们对环保和能源安全的重视，电动汽车作为一种新型汽车逐渐被人们所接受，电动汽车锂离子动力电池作为车型的核心部件之一，其质量安全性问题尤为重要。

锂离子电池是一种高度集成的系统，由多个电池单元组成，正负极之间通过电介质隔膜隔开，每个单元都具有一定的电压和电能。

但在使用过程中，各国都曾发生过电动汽车电池起火等安全事故，尽管事件数量并不算大，但对消费者对于电动汽车安全的担心加之对安全事故的不断曝光，导致市场上对电动汽车安全性问题的关注度越来越高。

首先，锂离子电池的过充和过放是造成安全事故的重要原因之一。

在使用中，如果电池单体电压过低，容易发生过放，容易导致锂离子电池内部热失控，甚至引发火灾爆炸。

反之，如果电池的单体电压过高，会导致电池的过充，使电池内部的化学反应愈加活跃，也会产生热量，甚至引发火灾事故。

其次，用草图解释人类的活动如何增加电动汽车起火的风险。

一个草图可以是例如短路、过充或过放引起电池温度过高或可燃性液体泄漏。

另一个草图可以是电动汽车在充电时被水淹没，导致电池内部进入水分，从而引发火灾等问题，这些都是重要的安全隐患。

此外，还有一些电动汽车电池自身固有的问题，例如，如果单个电池单元发生故障，容易引起其它单元发生热失控现象，这样的“串联、平行”的电池安全隐患非常值得关注。

最后，环境也是影响锂离子电池安全性的一方面。

高温或严寒气候下，锂离子电池电导率将发生变化，增加电池热失控的可能性，对锂离子电池的使用和储存环境进行严格的控制是必须的。

综上所述，锂离子动力电池安全性问题是电动汽车发展和推广过程中的重要瓶颈问题。

为了提高锂离子电池安全性，汽车生产厂商需要针对电池设计、制造、监测、故障处理进行全方位的改进和优化。

同时，监管部门也应该对新能源汽车的设计、生产、销售、维护等各方面加强规范和管理，确保电动汽车的安全性符合相关标准。

美国Battery教授Halpern的话可以为此作为结束语：“这个领域竞争激烈，生产厂商不想在电池上花费多余的成本，但是他们也不能承担风险”。

新能源汽车锂离子动力电池安全性分析作者：刘俊来源：《时代汽车》2024年第11期摘要：新能源汽车行业近年来风生水起，受到了全球范围内的广泛关注和重视。

特别是电动汽车，因其环保、低排放等特点备受青睐。

而动力电池作为驱动这些车辆行驶的心脏部件，自然成为了人们研究和关注的焦点。

然而，随着电动车辆的快速增长，相关的安全问题也随之浮现，特别是涉及动力电池的安全性问题，已成为制约新能源汽车发展的一大痛点。

本文将针对新能源汽车锂离子动力电池安全性展开详细分析，以供参考。

关键词：新能源汽车锂离子动力电池安全性新能源汽车在充电、行驶、甚至遭遇交通事故的过程中出现的动力电池自燃或起火现象尤其让人担忧。

这些火灾事故不仅会导致财产损失，更有可能危及人身安全，给车主及周围人群带来重大风险。

因此，电动汽车锂离子动力电池的安全性问题引发了广泛的社会关注，成为业界亟待解决的重要课题。

为了保证新能源汽车的安全性，对锂离子动力电池进行深入的安全性分析和研究是非常必要的。

这不仅包括了解和评估锂离子动力电池在设计、制造、使用和废弃等全生命周期中可能出现的安全风险，还涉及到采取有效的预防措施来降低事故发生的几率。

1 锂离子动力电池工作原理锂离子动力电池作为电动汽车的能量之源，其结构与功能复杂且精巧。

它主要构成包括若干锂电池模组、外围的箱体、安全设施（如防爆阀）以及温度调节用的加热片等。

同时，可将这些锂电池模组视为动力电池的“心脏”，而这些模组本身，则是由许多串联、并联或二者结合的锂离子电池单体所组成。

锂离子电池，作为动力电池的基本构建单元，具有其独特的结构和工作原理。

它由正极材料、负极材料、隔膜、电解液和电池壳体等部分组成。

在工作时，锂离子在正负极之间移动，实现电荷的转移。

因其工作方式类似于摇椅，即电荷在两端来回“摇摆”，因而得名“摇椅型”电池。

在电池充电过程中，当外部电压施加在电池两极上时，锂离子会从正极材料中释放并进入电解液，在隔膜的指引下向负极移动。

就电池安全性问题请教艾新平（1）目前电池的安全性问题引起多方关注，对像我这样只对机械类产品比较熟悉的偏科工程师，很想拜师补课，学习点电池方面的知识。

武汉大学的艾新平教授是我的好朋友，从来不吝赐教。

下面是他针对我提出的几个问题给出的解答，我觉得很有启发，经过他的同意，登载出来供大家参考。

因为文章比较长，我分几次登载出来。

王秉刚问：您说“锂离子电池的不安全行为是指电池在过充电、短路（包括内部短路和外部短路）、机械滥用条件（如挤压、穿刺、振动、跌落等）和高温热冲击等情况下，发生爆炸和燃烧的现象。

”您是电化学的知名教授，能不能更通俗形象一些解释一下电池发生爆炸和燃烧的过程与机理，它与汽油燃烧、炸药爆炸的过程与机理一样吗？为什么在上述这些情况下会发生电池的爆炸和燃烧？艾新平答：应当说电池发生爆炸都是由于电池内部瞬间温升过快或内压过高而引起。

锂离子电池是一个密闭的反应体系，在其内部存在系列电化学和化学反应。

除了用于储存和释放电能的正常电极反应外，还存在许多潜在的副反应，如电解质溶液的还原和氧化分解、正极的热分解等。

当电池处于正常温度范围和正常电压范围时，这些副反应不会发生，电池内部仅发生正常的充电和放电反应，此时电池安全。

但当电池温度过高，或者充电电压过高时，这些副反应被触发，产生大量的热，并释放出有机小分子气体。

由于反应剧烈，产生的热量不能有效传递到电池体外，引起电池内部温度和压力的急剧上升。

而温度的上升又会极大地加速副反应的进行速度，产生更大量的热和气体产物，此时电池进入无法控制的自加温状态，即俗称的热失控状态，电池有可能发生爆炸。

当然，电池是否发生爆炸与很多因素有关，如电池的荷电状态、副反应的进行速度和发生程度、热传递速度、安全阀开启的灵敏度、外界环境温度等，因此，并非所有进入到热失控状态的电池都会发生爆炸，存在一定的几率性。

从爆炸发生的机理来看，与炸药爆炸有相似之处。

但由于电池活性材料的含能密度，以及反应速度均远低于炸药，因此，其危害程度远不如炸药。

电动汽车的安全性非常重要作者：来源：《汽车与运动》2011年第07期电动汽车除了与传统汽车一样的安全性要求外，还有自己特殊的要求。

最主要的是电池组的燃烧爆炸及高电压安全性。

经过多年的研究，相关的安全问题已经有了很好的控制办法，尤其是磷酸铁锂电池具有很好的热稳定性，广泛被用来做电动汽车的动力电池。

但是，为什么在电动汽车试验与示范过程中，仍然发生电动汽车电池燃烧的事件?究其原因，还是在电池单体与电池组技术上的粗糙。

我的好朋友一武汉大学教授艾新平，在他答疑我的文章里说：“电池发生燃烧爆炸都是由于电池内部瞬间温度升高过快或内压过高而引起。

锂离子电池是一个密闭的反应体系，在其内部存在系列电化学和化学反应。

除了用于储存和释放电能的正常电极反应外，还存在许多潜在的副反应，如电解质溶液的还原和氧化分解、正极的热分解等。

当电池处于正常温度范围和正常电压范围时，这些副反应不会发生，电池内部仅发生正常的充电和放电反应，此时电池安全。

但当电池温度过高，或者充电电压过高时，这些副反应被触发，产生大量的热，并释放出有机小分子气体。

由于反应剧烈，产生的热量不能有效传递到电池体外，引起电池内部温度和压力的急剧上升。

而温度的上升又会极大地加速副反应的进行速度，产生更大量的热和气体产物，此时电池进入无法控制的自加温状态，即俗称的热失控状态，电池有可能发生燃烧，甚至爆炸。

”这段有关电池燃烧或爆炸的机理的叙述很经典，对我们很有帮助。

艾新平还告诉我，大量试验结果已证实，热失控的主要原因是电池内部短路。

尽管出厂电池全部都通过了电压检测工序，但由于这种内部短路往往是在用户使用过程中形成的，因此难以发现和避免。

为了预防内部短路，首先必须在电池的设计与生产过程有严格的预防与控制措施。

例如由于生产过程残留在隔膜表面的导电粉尘就是导致电池发生内部短路的暗藏杀手，这就是为什么电池生产车间环境要求非常严格的原因。

此外，电池的正确使用十分重要，例如电池在低温充电，或大电流充电时非常容易导致负极表面金属锂的析出，它们会刺穿隔膜造成电池内部短路。

锂硫/锂空电池不具备动力电池应用前景的原因解析编者按尽管理论上还可以通过堆叠电池装载量来大幅提高续航里程，但也相应增加了成本和重量，从经济性和安全性的角度来讲，其实是得不偿失的。

提升电池比能量已经成为了提高电动汽车续航里程的核心技术方向。

尽管理论上还可以通过堆叠电池装载量来大幅提高续航里程，但也相应增加了成本和重量，从经济性和安全性的角度来讲，其实是得不偿失的。

武汉大学教授艾新平表示，以现有的整车技术条件，最合理的设计应该是单体300wh/kg 对应续航300Km；单体400wh/kg对应续航400km；而如果单体做到500wh/kg，那续航将可达到500km。

事实上，行业内普遍认为，锂电技术的近期目标是通过高镍三元正极、硅碳负极实现300wh/kg；中期（2025年）目标是基于富锂锰基/高容量Si—C负极，实现单体400wh/kg；远期则是开发锂硫、锂空电池，实现单体比能量500wh/kg。

对此，艾新平表示，在2020年达到300wh/kg，除了安全性不太确定以外，没有任何技术风险。

至于中期目标，根据计算结果，400wh/kg要求正极容量达到250mAh/g，负极容量达到800 mAh/g，这个要求以目前的材料体系也是可行的。

而远期目标中，锂硫、锂空的理论值远超500wh/kg（锂硫2600wh/kg、锂气11000wh/kg），但其可行性有待考量。

其中锂空是采用金属锂作为负极、空气中的氧作为正极的一种电池体系，当然，氧电极需要多孔碳作为反应载体。

尽管这些年来在催化剂选择、机理研究、电解液选择、可充性等方面已经取得了很大的进展，但作为一个产品，锂空电池有四大致命缺陷：第一，是水分的控制问题。

锂空电池是一个开放体系，这是和锂离子电池不一样的，锂空要用空气中的氧，而空气中含有水，锂会与水反应。

既要透氧又要防水，这是一个很难解决的问题。

第二，是氧的催化还原。

氧的反应速度非常慢，要提高氧的反应活性必须采用高效的催化。

锂离子电池的安全性问题作者：王浩杨聚平王莉，等来源：《新材料产业》 2012年第9期何向明清华大学核能与新能源技术研究院新型能源与材料化学研究室主任、博士生导师，主要研究方向为锂离子电池及其材料，包括高比容量、高安全性、长寿命、低成本锂离子电池关键技术研发及产业化制备技术研发，锂硫聚合物电池及其关键材料研发，锂离子电池数学模型的建立与计算机模拟，锂离子电池安全性制备技术与应用控制技术。

参与“973”、科技部国际合作、国家专项和企业等相关课题20多项，主持包括锂离子电池材料、锂离子动力电池在内的多项产业化工作。

申请发明专利100多项，其中申请美国日本发明专利40多项，已获授权中国发明专利30项。

在国外期刊上发表论文110多篇，国内期刊上发表论文120余篇，其中SCI检索收录136篇、EI检索收录110篇。

文/王浩1 杨聚平1 王莉1 李建军1 何向明1，2 欧阳明高21.清华大学核能与新能源技术研究院2.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室锂离子电池具有能量密度大、输出电压高、循环寿命长、环境污染小等优点，已被广泛应用于微电子领域，同时，在电动车、军事、空间技术等领域也有着广阔的应用前景[1-2]。

然而，锂离子电池在给人类造福的同时，也带来了一些安全隐患。

近年来，锂离子电池安全事故时有发生，如2006年苹果、联想笔记本电脑因电池安全性问题被召回，2008年本田混合电动车发生起火事件，2011年上海825路纯电动公交车因电池过热起火自燃……这些事件使得锂离子电池安全性问题受到越来越多的重视，因此，有效地解决锂离子电池的安全性问题已势在必行。

一、锂离子电池安全性分析锂离子电池产生安全性问题可归结为2大方面的原因：一是锂离子电池自身特点决定的；二是由于突发事件或电池应用不当造成的。

锂离子电池内部存在着一系列潜在的放热反应，这是诱发锂离子电池安全问题的根源。

1.锂离子电池的自身原因锂离子电池自身特点是决定其安全性的根本因素[3-4]：①由于能量密度很高，锂离子电池很容易由于热失控导致不安全行为发生；②锂离子电池在过充时，由于正极材料脱锂，结构发生变化，使其具有强氧化能力；或者正极材料直接放出氧，使电解液中的溶剂发生强烈氧化；负极表面固体电解质界面（S E I）膜的分解，负极析出的金属锂与电解液的反应，这些过程放出的热量如果积累可能会引发热失控；③锂离子电池电解液大多为有机溶剂，主要成分为碳酸酯类，闪、沸点都很低，在4.6V左右易被氧化，若出现泄漏等情况，容易引起电池着火，甚至燃烧和爆炸等；④锂离子电池中粘结剂的晶化、铜枝晶的形成以及活性物质剥落等均易造成电池内部短路，带来安全隐患。

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
锂电技术发展两大突破点
新能源汽车产业的长远发展需要高比能量电池的支撑，而正极材料恰恰是制约高比能锂离子动力电池发展的关键点。

众所周知，目前材料体系锂离子电池可用能量密度极限是350Wh/kg，高电压和高容量依然是制约锂离子电池正极材料比能量的瓶颈。

锂离子电池最近一个时期仍将是动力、消费电子和中小规模储能的最好选择，高镍/硅基体系是300Wh/kg 电池体系的首选。

然而，日、美、中三个主要电池生产国先后都制订了高能量密度锂电池的研发目标，希望在2020 年展示能量密度达到400~500Wh/kg 的原型器件，并在2025~2030 年实现量产。

各国为实现既定的高能量密度的目标，均在积极地进行新型电池技术的研发及应用。

安全芯策略
容量越大，散热越慢，产热越大，电池越不安全!武汉大学艾新平教授指出，锂离子电池的安全性问题严重制约了新能源产业的发展，而热失控是导致安全性问题的根本原因。

例如，NCM、NCA 材料在200~300℃内存在严重放热，加重了电池的安全隐患!
对锂动力电池的安全性，科研界要做的就是迎接这一挑战，实现电池高性能
和高安全之间的平衡，建立从材料(基础)到单体(关键)再到系统(保障)的多级安全保护。

艾新平团队的技术思路是，在隔膜表面涂覆一层具有较低熔点的热熔性微球，在高温下，微球融化、坍塌形成聚合物阻碍层，切断两级间离子的传输，中断电池反应，从而防止电池热失控。

固态锂电池引领未来
中国电子科技集团公司研究员肖成伟认为，中长期可以实现产业化的电池体。

锂离子电池热失控防范技术李惠;吉维肖;曹余良;詹晖;杨汉西;艾新平【摘要】安全性是制约高比能、大容量锂离子电池规模应用的重要技术问题,热失控是导致电池发生爆炸、燃烧等不安全行为的根本原因.从电化学角度来看,在锂离子电池内部建立一种自激发热保护机制,切断危险温度下电池内部的离子或电子传输,关闭电池反应,是解决这一问题的有效途径.基于这一考虑,近年来人们提出了一系列新型热失控防范技术,包括正温度系数电极(即PTC电极)、热敏性微球修饰隔膜(或电极)、热聚合添加剂等.本文在简要介绍这些安全性技术的实现方式和工作原理之后,重点介绍了这一领域的最新研究进展.在此基础上,从实际应用需求出发,对其存在的问题及发展趋势进行了探讨.【期刊名称】《储能科学与技术》【年(卷),期】2018(007)003【总页数】8页(P376-383)【关键词】安全性;热失控;正温度系数;热敏感;锂离子电池【作者】李惠;吉维肖;曹余良;詹晖;杨汉西;艾新平【作者单位】湖北省化学电源材料与技术重点实验室,武汉大学化学与分子科学学院,湖北武汉430072;湖北省化学电源材料与技术重点实验室,武汉大学化学与分子科学学院,湖北武汉430072;湖北省化学电源材料与技术重点实验室,武汉大学化学与分子科学学院,湖北武汉430072;湖北省化学电源材料与技术重点实验室,武汉大学化学与分子科学学院,湖北武汉430072;湖北省化学电源材料与技术重点实验室,武汉大学化学与分子科学学院,湖北武汉430072;湖北省化学电源材料与技术重点实验室,武汉大学化学与分子科学学院,湖北武汉430072【正文语种】中文【中图分类】TM911锂离子电池具有高比能量、高比功率和长寿命等特征，是当前车用和储能电池的首选[1-2]。

近年来随着新能源汽车的飞速发展，锂离子动力电池产业规模不断扩大。

EVTank发布的《2016年中国锂动力电池研究报告》统计数据显示，2016年中国国内锂离子动力电池出货量合计达到30.5 GW·h，较2015年的17.0 GW·h大幅增长79.4%。

锂离子动力电池安全性及解决方法在新能源汽车进展过程中，除价格高、续驶里程短和充换电基础设施不足外，动力安全性是消费者和专业人士关注的重点。

这个问题也影响到了动力电池比能量的提升。

“进展防短路、防过充、防热失控、防燃烧及不燃性电解液是应对动力电池安全性的关键。

”武汉大学艾新平教授在上海举办的第14届中国国际工业博览会新能源汽车产业进展高峰论坛上强调。

锂离子动力电池不安全行为的发生机制艾新平分析指出，锂离子动力电池除了正常的充放电反应外，还存在很多潜在的放热副反应。

当电池温度或充电电压过高时，很简单引发这些放热副反应。

重要的过热副反应包括:1.SEI膜在温度高于130℃时分解，使电解液在暴露的高活性碳负极表面大量还原分解放热，导致电池温度上升。

这是引发电池热失控的根本原因。

2.充电态正极的热分解放热，及进一步由活性氧引发的电解液分解，加剧了电池内部的热量积累，促进了热失控。

3.电解质的热分解导致电解液分解放热，加快了电池温升。

4.粘结剂与高活性负极的反应。

LixC6与PVDF反应的起始温度约为240℃，峰值290℃，反应热为1500J/g。

重要的过充副反应为，有机电解液氧化分解，产生有机小分子气体,导致电池内压增大，温度上升。

当放热副反应的产热速率高于动力电池的散热速率时，电池内压及温度急剧上升，进入无法掌控的自加温状态，即热失控，导致电池燃烧。

电池越厚，容量越大，散热越慢，产热量越大，越简单引发安全问题。

锂离子动力电池不安全行为的引发因素重要包括下述3种情况引起的短路:①隔膜表面导电粉尘、正负极错位、极片毛刺和电解液分布不均等工艺因素；②材料中金属杂质；③低温充电、大电流充电、负极性能衰减过快导致负极表面析锂，振动或碰撞等应用过程。

此外，还有大电流充电导致的局部过充，极片涂层、电液分布不均引起局部过充，正极性能衰减过快等过充因素。

锂离子动力电池安全技术的进展电池安全设计制造、PTC限流装置、压力安全阀、热封闭隔膜及提高电池材料的热稳定性等常规方法，有其局限性，只能在肯定程度上降低电池不安全行为的发生概率。

动力电池如何进行热管理
 如何将电池内的热管理工作做好，为电池中的热量分子们戴上“紧箍咒”，已成为未来解决动力电池安全的必答题。

 烟雾、火灾甚至爆炸等常见的锂离子电池事故的根源大都来自于电池热量的“失控”。

如何将电池内的热管理工作做好，为电池中的热量分子们戴上“紧箍咒”，已成为未来解决动力电池安全的必答题。

 “锂离子电池安全与否，归根到底取决于电池能否避免热失控。

”武汉大学教授艾新平介绍，在锂电池中，除了我们熟知的正常充放电反应外，还存在着潜在的负反应。

 “温度越高，电池负反应的反应速度就越大，最终导致电池进入一个无法控制的自加温状态，也即热失控状态。

它是导致电池发生爆炸和燃烧的主因。

”艾新平进一步解释。

 “采用不同的正极材料，锂离子电池的安全性就不同。

”艾新平解释，这是由于正极在电池中所占的质量比是最大的，常规来说放热量也是最大，“因此正极材料的选择对电池的安全性影响非常大。

”。

下一代动力电池及材料发展趋势探讨作者：艾新平来源：《新材料产业》 2012年第9期艾新平武汉大学化学与分子科学学院教授，湖北省化学电源材料与技术重点实验室主任，国家“863”节能与新能源汽车重大专项监理专家。

曾参与工信部组织的国家《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》的制订，主持国家“973”项目课题、国家自然科学基金以及国家“863”计划项目多项；长期从事电化学能源材料与技术的研究，主要研究领域包括锂离子电池正负极材料、安全性技术，以及高比能锂-硫二次电池，提出并发展了电压敏感隔膜、热敏感电极、热敏感材料等安全性新技术；在国内外学术刊物上发表论文40余篇，获准国家发明专利8项，在锂离子电池材料与技术研究方面获部级一等奖2项。

文/艾新平武汉大学化学与分子科学学院由于化石资源的匮乏和空气污染的日益加重，汽车动力的电气化已成为未来汽车工业发展的主攻方向。

鉴于电动汽车在保障国家未来能源安全和发展低碳经济方面的重要作用，先进发达国家近年来纷纷出台了旨在推动电动汽车发展的国家规划。

如，美国提出了到2015年普及100万辆插电式电动汽车的目标，并国拨24亿美元用于支持电池与电动车研发与产业化；日本计划到2020年，各类电动汽车的市场保有量达到1350万辆，并详实提出了下一代汽车用蓄电池技术开发路线图；德国政府在2009年8月发布的《国家电动汽车发展计划》中，明确了以纯电动车和插电式电动车为重点的战略目标。

我国对电动车的发展高度重视，从“十五”开始就设立了“电动汽车”重大科技专项。

国务院在前不久正式发布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》中，明确提出了未来8年我国电动汽车发展的产业化目标，规划指出，到2015年纯电动车和插电式混合动力车累计产销量达到50万辆，到2020年纯电动车和插电式混合动力车生产能力达到200万辆、累计产销量超过500万辆。

然而，我们应当看到，作为电动汽车的“引擎”部件，动力电池的现有技术及经济指标还难以满足纯电驱动电动汽车的技术发展和普及应用要求。