探究丨動力電池安全設計系列之原材料選擇--- 中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會

最近電動車燒的有點猛，各個院士、專家、學者們也紛紛開始對安全性進行了專門的探討，也得出了一些方向性的建議和指導。本系列將從動力電池的設計、制造、測試等過程一一分析影響電池安全的各個因素，希望能起到拋轉引玉的一個目的，畢竟，電動汽車的安全性是一個系統(tǒng)的工程，并不能一蹴而就。本文將從動力電池的原材料開始，對動力電池的安全性進行一一的分析，希望能引起大家的共鳴。

1、正極材料

雜質含量：雜質含量包含金屬和非金屬，雜質越多，自放電的可能性會越大，如果顆粒過大，隨著電池的使用，此顆粒有可能會越來越大，最終導致電池的短路，因而不管是正極材料廠家還是電池廠，都會采取一定的措施去控制原材料的雜質含量，例如燒結設備的選擇，從金屬更換為非金屬，制作完成時也會有除雜的過程;在電池廠時也會有相關的檢測手段和設備，使用時也得嚴格控制環(huán)境的粉塵等級等等，都是有效的防止雜質含量提高的手段;

磁性物質含量：主要是金屬雜質中具有磁性的物質，這些物質如果含量過高，在使用過程中會形成一個個的活性位點，不斷的沉積最終導致電池的內部短路，因而需要嚴格的把控，目前材料廠都會對自己所生產的原材料進行除磁，最終的檢驗標準也很嚴格，一般是ppb級別，檢測方法一般是ICP法，在此就不在詳述，有興趣的小伙伴們可以查閱相關的資料;

熱穩(wěn)定性：隨著三元材料中鎳含量的升高，正極材料的熱穩(wěn)定性會隨之降低，這個一般用DSC或ARC去測量，溫度過高導致正極材料的分解、釋氧，引發(fā)熱失控，所以對于這個指標，實際上是有兩層意義，一方面，可以通過包覆、摻雜的方法提高正極材料的熱穩(wěn)定性;另一方面，可以通過控制電池的溫度使用范圍，去讓電池達到一個合理的使用區(qū)間;

2、負極材料

和正極材料一樣，也是有雜質含量、磁性物質含量以及熱穩(wěn)定性的要求，具體的影響機理和正極是類似的，在此不再詳述。

3、隔膜

隔膜作為主要的關鍵原材料，其很多指標都和安全直接相關;

穿刺強度：穿刺強度的大小直接影響著電池發(fā)生內部短路的可能性，理想狀態(tài)當然是越大越好，但對于干法、濕法以及有涂層的隔膜來說是有區(qū)別的，隨著技術水平的提高，隔膜的厚度是越來越薄，涂覆的東西也是越來越多，主流還是陶瓷，也有各自膠、甚至有導電劑等等，這些都能在一定程度上提高隔膜的穿刺強度。

抗拉強度：對于卷繞型電芯而言，隨著電池循環(huán)的不斷進行，邊角處的應力會隨著正負極的不斷膨脹而增大，所以對于隔膜的抗拉強度要求也是逐漸提高的，要求電池在整個使用周期內是安全的，實際上對于隔膜的要求也是很高的。

熱收縮性：這個指標也很關鍵，對于動力電池的使用，不僅僅是在常溫的情況下使用，其外部環(huán)境的變化，內部產熱的變化，都會對隔膜橫向和縱向的收縮帶來影響，現(xiàn)在普遍的標準為105℃30min，一些企業(yè)的內部標準會比這個更高，這就要求隔膜企業(yè)對于隔膜的材質、生產工藝、涂覆材料的種類等等進行深入的研究，生產出更適應高能量密度電池的隔膜。

閉孔溫度：這個指標主要衡量的是隔膜在極端情況下的安全性能，也是一個很關鍵的指標，不同的材質是有不同的閉孔溫度，干法和濕法也是有區(qū)別的。

4、電解液

對于鋰離子電池的血液——電解液而言，其很多參數(shù)也和安全性是直接相關的，例如電解液的純度、雜質含量等等，與正負極材料的相關參數(shù)也是類似的，現(xiàn)在主要講一下與正負極材料不同的部分。

熱穩(wěn)定性：電解液的熱穩(wěn)定性與電池的安全直接相關，在電池發(fā)生熱失效的情況下，電解液的熱穩(wěn)定性不足將會直接導致電池的起火爆炸，因而，目前，不燃電解液、惰性添加劑的研究是電解液的一個方向。

電化學穩(wěn)定窗口：這個參數(shù)直接關系到電池的上限電壓以及安全電壓，隨著能量密度的提高，電池的上限電壓也越來越高，所以相關的研究熱點也在如何提高電解液的高電壓穩(wěn)定性以及和材料界面的相容性上。

5、其他材料

導電劑：

雜質含量是一個很重要的指標，很多導電劑在制作過程中是會引入金屬離子雜質的，所以在使用時要控制雜質的含量;

溶劑：

NMP、純水等的雜質含量;

粘結劑：

雜質含量;

膠：

雜質含量、分解溫度、耐高壓性能等等，都是與安全相關的性能;

膠帶、保護套等：

雜質含量、耐高溫性能、耐電解液性能等等，也直接與安全相關;

鋁塑膜、電池殼、蓋、極耳等：

雜質含量，鋁塑膜的耐腐蝕性能等等，都是需要關注的地方;

隨著動力電池能量密度的提高，安全性隨之降低，本次主要從電池的原材料出發(fā)，簡單介紹了一下與安全相關的指標，對于動力電池設計過程而言，其實是一個平衡的過程，怎么在安全和電性能之間做出一個平衡，需要廣大鋰電同仁們一直努力，才能做出高安全性、高能量密度的電池。