2.2 负极材料
负极活性材料对安全性能的影响主要来自于其本征的轨道能量和电解质LUMO,HOMO的配置关系。在快充的过程中,锂离子通过SEI(固态电解质界面)膜的速度可能比锂在负极的沉积速度慢,锂的支晶会随着充放电循环而不断生长,可能导致内短路而引燃可燃性的电解质发生热失控,这一特性限制了负极在快充过程中的安全性。只有在以含碳材料作为缓冲层的锂合金的负极电动势和锂的电动势之差小于-0.7Ev,即μA 10−4 Scm−1的固态电解质,就可以一方面阻止锂支晶刺破隔膜到达正极从而解决安全性问题,另一方面也可以解决负极与碳酸盐电解质接触和正极与水性电解液接触时产生的稳定性问题。当然,通过使用拥有更宽的电化学窗口(尤其是LUMO更高)的电解液,在电解质里添加一些阻燃材料,将混合的离子液体和有机液体电解质改性成为不易燃的电解液(与此同时离子传导率σLi也不会降低太多)等手段也可以有效地提高安全性。
隔膜的机械强度(抗拉伸和穿刺强度)、孔隙率和是否具备关闭功能是决定其安全性的重要依据。
3. 电芯的制造
通常情况下,锂离子电池的电芯制造工艺流程可以总结如下:
图4. 电芯生产工艺流程(简要)
从电极的配料开始,要经过一系列的如搅拌、拉浆、裁片、刮粉、刷粉、对辊、极耳铆接、焊接连片、贴胶纸、测试、化成等步骤。在这一系列的流程中,即使所有步骤都已经完成,仍有可能因为工作不到位而导致电池内阻升高或短路而形成安全性问题的隐患。如:焊接过程中产生虚焊(正/负极片与极耳间,正极极片与盖帽间,负极极片与壳间,铆钉与接触内阻大等),料尘,隔膜纸太小或未垫好,隔膜有洞,毛刺未清理干净等。正负极的容量配比错误也可能会导致大量金属锂在负极表面沉积,浆料均匀性不够也会导致活性颗粒物分布不均,造成充放电负极体积变化大而析锂,从而影响其安全性能。此外,化成步骤中SEI膜的生成质量也直接决定了电池的循环性能和安全性能,影响其嵌锂稳定性和热稳定性。影响SEI膜的因素包括负极碳材料、电解质和溶剂的类别,化成时的电流密度,温度及压力等参数的设定,通过对材料的适当选择,化成工艺的参数调整,可以提高生成SEI膜的质量,从而提高电芯的安全性能。
4. 电堆的集成
4.1 BMS电池管理系统
电池管理系统(BMS)在动力电池的使用中被寄予解决关键问题的厚望。管理系统需要管理电池及其一致性,使其在不同条件下(温度,海拔高度,最大倍率,电荷状态,循环寿命……)获得最大的能量储存、往返效率和安全性。BMS包括一些通用的模块:数据采集器,通讯单元和电池状态(SOC,SOC,SOP……)评估模型。随着动力电池的发展,对BMS的管理能力要求也更多更严苛。增加了比如热量管理模块,高压监控模块……通过这些安全性模块的增加,可望改善动力电池在使用过程中的安全可靠性。