浅析锂离子电池的安全问题及措施

２ｏ１８。∞　浅析锂离子电池的安全问题及措施　李玲，姚杰，司江龙，刘汉武　（延安大学物理与电子信息学院，陕西延安，７１６０００）　摘要：用于移动电源的锂离子二次电池，存在电解质泄漏等诸多安全隐患。本文从电池系统的滥用，电解质以及电极材料等方　面分析了影响锂离子电池安全性能的因素，并针对危害锂离子电池的安全因素分析其危害机理，提出相应的措施。　关键词：锂离子；电池　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓａｆｅｔｙ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆ　ｌｉｔｈｉｕｍ　ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　Ｌｉ　Ｌｉｎｇ，Ｙａｏ　Ｊｉｅ，Ｓｉ　Ｊｉａｎｇｌｏｎｇ，Ｌｉｕ　Ｈａｎｗｕ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｙａｎ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎａｎ　Ｓｈａａｎｘｉ，７１６０００）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｌｉｔｈｉｕｍ—ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｅｍｐｌｏｙｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｏｒｔａｂｌｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ｅｘｉｓｔ　ｍａｎｙ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｓａｆｅｔｙ　ｈａｚａｒｄｓ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｍｉｓｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ａｎｄ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｔｈｅ　ｈａｒｍ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｗｅｒｅ　ｓｕｐｐｌ　ｌｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌｉｔｈｉｕｍ　ｉｏｎ：ｂａｔｔｅｒｙ　０引言　分解，从而促进了更多放热反应的进行。同时，强还原性负极的活　锂电池由于具有较高的能量密度、功率密度及较好的循环　泼性接近于金属锂，其与氧接触会立即燃烧并引燃电解液、隔膜　寿命等优势，已在生活中的各个方面得到了应用。然而近年来用　等，从而导致了电池的热失控，使电池产生燃烧和爆炸。同时，由　于手机、数码相机和笔记本电脑中的锂离子电池爆炸伤人事件已　于在上述反应过程中生成的氧气量有限，导致电解液的不完全燃　　经屡见不鲜，致使人们对锂离子电池的安全问题引起了广泛的关　烧。但这种燃烧仍会产生大量的热和气体，导致电池系统的破坏，注。本文针对影响锂离子电池的安全因素进行了分析，并给出了　也由此打开一个缺口，使得气体或气溶胶从电池内部喷出，与空　气充分反应，导致剧烈地燃烧，甚至爆炸。　相应的措施。　（３）电池的环境温度　１影响锂离子电池安全问题的因素　１．１滥用　目前商业化的锂离子电池大部分采用的有机溶剂电解质，其　极易燃烧，特别是电解液中的线型碳酸酯具有较高的蒸气压和较　低的闪点，在一些滥用状态下，如高温、过充电、针刺穿透以及挤　当电池的环境温度足以引发正极／电解液反应的时候，就会　导致电池的热失控状态，而高活性的不稳定电解液就像是在电池　热失控这把火上浇了一桶油，从而使得电池燃烧，发生爆炸。　２提高和改善电池安全性能的途径　２．１正确使用电池避免滥用　（１）按照标准的时间和程序充电。锂电池的激活并不需要特　别的方法，在手机正常使用中锂电池会自然激活。过充和过放电　（２）当出现手机电量过低提示时，应该尽量及时开始充电。　压等情况下，容易导致电极和有机电解液之间发生反应，如有机　电解液的剧烈氧化、还原或正极分解产生的氧气进一步与有机电　解液反应等，这些反应产生的大量热量如不能及时散失到周围环　会对锂电池、特别是液体锂离子电池造成巨大的伤害。　境中，必将导致热失控的产生，最终导致电池的燃烧、爆炸。　“尽量把手机电池的电量用完，最好用到自动关机”。的做法其实　电解液作为锂离子电池的血液，电解液的性质直接决定了电　只是对镍电池而言的，目的是避免记忆效应发生。对于锂电池来　池的性能，对电池的容量、工作温度范围、循环性能及安全性能都　说并不存在记忆效应。　有重要的作用。　相对较低。　１．２电解质对锂离子电池安全问题的影响　·　（１）电解液本身的安全性。电解液本身相当于可燃物，其闪点　２．２改进电解液体系　使用相对更安全的电解液体系用，即使热失控发生，也不会　因为易燃电解质存在而导致电池燃烧或者爆炸。对电解液的改善　（２）电极／有机电解液相互作用的热稳定性是制约锂离子电　则需从以下几方面进行着手：　池安全性的首要因素。　（１）提高电解液中有机溶剂纯度。微量杂质的存在对电池性　电解液使用的溶剂通常为有机碳酸酯类化合物，其活性高，　极易燃烧。处于充电状态时，正极材料为强氧化性化合物，而负极　能的影响非常大，提高电解液中有机溶剂的纯度，可以保证电解　　材料为强还原性化合物。在滥用情况下，强氧化性的正极材料稳　液中有机溶剂较高的氧化电位，减缓ＳＥＩ膜的溶解，防止气胀。定性一般较差，很容易释放出氧气，碳酸酯极与氧气反应，会放出　大量的热和气体，这一反应所产生的热量又进一步加速了正极的　（２）选择热稳定性好的锂盐。锂盐主要有ＬｉＰＦ　、ＬｉＣＩＯ　、　（下转１６２页）　基金项目：２０１３年陕西省大学生创新项目“多元协同性掺杂锂离子导体Ｌｉ　Ｌａ。Ｚｒ。０　。的电学性能研究”（Ｎｏ．１２８０）　ｌ１　６Ｏ　ｂ　Ⅱ口　２ｏｌ８．Ｏ７　清洗。　一（１）要时刻保持与上级部门的联系。　（２）只有经过足够的排风处理，氧气含量符合规定后，才可以　旦发生ＳＦ６气体泄漏事故，现场人员应迅速查明原因，采取　　紧急防护措施，并立即通知界区人员撤离事故现场。尽快疏散附近　准许人员进入。（３）要确保ＳＦ６气体报警装置、氧气含量检测装置、排风换气　的工作人员，严禁在ＳＦ６气体泄漏现场附近继续工作，并且安排与　事故处理无关的人员从规定的通道有序撤离。根据事故处理状况，　负责人要对本单位人员和界区单位人员进行清点并上报。　体泄漏处理的人员必须穿防护服，佩戴好防毒面具，保证无任何　装置、ＳＦ６气体检漏仪等设备状态良好，功能正常。　（４）当进入ＳＦ６气体浓度超标的室内检修或抢救伤员时，应　（５）佩戴的安全防护用品必须要符合规定，并经国家相应的　保持对ＳＦ６气体泄漏设备的情况进行监控，所有参与ＳＦ６气　佩戴防毒面具等设备，防止造成中毒或窒息。　皮肤外露。在进入ＳＦ６设备室前，开启鼓风机、排风系统。在进入　质检部门检测，具有生产许可证、编号标志、产品合格证者，方可　现场进行处理时，工作人员要在保证自身安全防护的前提下，开　使用。　展设备等巡查，查找漏点，对ＳＦ６气体采用回收车进行回收处理，　（６）尽量避免事故处理人员单独或擅自进入事故发生的设　并查明ＳＦ６气体泄漏的原因，收集事故相关信息。同时要严密监　备室进行检修。有工作人员佩戴防毒面具或氧气呼吸器进行工作　控工作现场的ＳＦ６气体浓度、氧气含量和气压下降情况。　时，要有专门的监护人员在现场进行监护，以防出现意外事故。　危险区是根据发生泄漏事故的危害程度划分的气体泄漏区　域。在被划分的危险区域周边放置警示牌，用警示带来隔离危险　区域，并安排守卫人员站岗。在警示带周围要分配保卫人员，负责　事故现场和周围的交通指挥和治安维护等工作。　负责人要查明人员情况，当发生窒息、丧失意识等人员伤亡　３总结　ＳＦ６开关设备在电力系统中得到非常广泛的应用，对ＳＦ６气　体的管理关系到设备能否安全可靠运行。综上所述可以看出，造　成ＳＦ６气体泄漏的原因是多方面的，一旦发生ＳＦ６气体泄漏事故，　必须采取合理的现场处理方法，迅速控制事态的发展，最大程度　时，应请求支援，并在保证自身安全的前提下，开展自救、互救。当　本文通过分　发生作业人员中毒时，应立即将人员撤离事故现场，转移到通风　的降低ＳＦ６气体泄漏所带来的人员伤亡和设备损坏。有助于提　透气的地方休息。现场人员轻微受伤，可用清水自行清洗；对重　析ＳＦ６开关气体泄漏的原因及制定事故现场处理对策，伤人员，要及时送达医院抢救。　将设备恢复运行。同时所有参与佩戴过的防护用品要清洗干净，　参与事故处理的相关人员必须洗澡。工作人员要及时恢复工作，　高工作人员预防和应对ＳＦ６开关气体泄漏事故的理论水平，从而　　当事故处理结束后，要立即对事故现场展开清洗与消毒，并　提高处理ＳＦ６气体泄漏的能力。参考文献　１】胡伟．ＧＩＳ设备ＳＦ６气体泄漏的原因与检查［Ｊ】．电子技术与　保证设备的运行。此外，现场人员要做好现场的保护、拍照、事故　【软件工程．２０１５（１６）：２５１－２５１．　调查等善后工作，做好详细记录。　【２】包卫军．ＳＦ６气体泄漏危害的原因分析及对策【Ｊ】．大科技　２－３现场处理的注意事项　２０１３（１８）：６６—６７．　在处理ＳＦ６气体泄漏事故现场时，包括现场负责人和现场辅　【３】张涛，司毅峰，高志伟．ＳＦ６气体突发泄漏现场处置方案Ｕ】　助人员都要注意以下几点注意事项：　农村电工．２０１５（１０）：２５—２５．　（上接１６０页）　ＬｉＢＦ４和ＬｉＡｓＦ６，使用ＬｉＣｌＯ４的电池高温性能不好，且ＬｉＣｌＯ４受　（２）详细地介绍了提高和改善锂电池安全性能的措施。主要　撞击容易爆炸：ＬｉＢＦ　的热稳定性差，ＬｉＡｓＦ　有毒且价格昂贵。　包括：正确使用锂离子电池系统；对液态电解液，分别从电解液　因此，这３种锂盐仅在实验室有所使用。目前锂离子电池中最常　的有机溶剂、锂盐选择、锂盐与有机溶剂配比及电解液添加剂方　用的电解质盐是ＬｉＰＦ　，但其热稳定性也不理想，且制备过程比较　面给出了分析；两种锂离子固体电解质材料的特点及优缺点分　复杂，遇水容易分解。因此，寻求能替代ＬｉＰＦ　的新型锂盐是提高　析，并对其应用领域及方向进行了展望。　电池安全性能的途径之一。　（３）电解液主要由有机溶齐　和锂盐两部分组成，电解液的性　参考文献　１】黄冕，杜蒙·亚历山大，沈洋，南策文．锂含量与烧结时间对　能主要由溶剂和锂盐的配比所决定。在电解液中，若使用熔点低、　『固体电解质Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２０１２电导率的影响ｆＪ１．硅酸盐学　沸点高且分解电压高的有机溶剂，就能在某种程度上提高锂离子　电池安全性能。　报，２０１３。４１（８）：１０４２—１０４５　２】Ｐ．Ｇ．Ｂｒｕｃｅ，Ｓ．Ａ．Ｆｒｅｕｎｂｅｒｇｅｒ，Ｌ．Ｊ．Ｈａｒｄｗｉｃｋ，ｅｔａ１．Ｌｉ一０２　ａｎｄ　（４）电解液中添加阻燃剂。锂离子电池电解液在受热的情况　【下，容易发生氢氧自由基的链式反应，通过添加阻燃添加剂可以　最大限度地阻止和干扰氢氧自由基的链式反应。目前认可的锂离　Ｌｊ—Ｓ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｔｏｒａｇｅ【Ｊ】．Ｎａｔ　Ｍａｔｅｒ，　２０ｌ２，ｌ１（１）：１９—２９．　Ｂ．ＧＯＯｄｅｎｏｕｇｈ．ＥｖＯ１ＵｔｉＯｉ３　Ｏｆ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ　ｆｏｒ　子电池电解液阻燃添ＩｎＩｌ的作用机制是自由基捕获机制。这种机　【３】Ｊ．ｍｏｄｅｒｎ　ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ【Ｊ】．Ａｃｃ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ，　制的中心思想是：阻燃添加剂受热时会释放出具有阻燃性能的　２０１３，４６（５）：ｌ０５３一ｌ０６１．　自由基，其可以捕获气相中的氢自由基或氢氧自由基，从而达到　阻止氢氧自由基的链式反应的目的。　【４１Ａ．Ｍａｎｔｈｉｒａｍ，Ｙ．Ｚ．Ｆｕ，Ｙ．Ｓ．Ｓｕ．Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｌｉｔｈｉｕｍ—ｓｕｌｆｕｒ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ【Ｊ】．Ａｃｃ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ，　２０１２，４６（５）：ｌ１２５一ｌ　１３４．　３结论　统的滥用，液态电解质的影响以及电极材料的问题。　５ｌ黄祯，杨菁，陈晓添等．无机固体电解质材料的基础与应用　（１）分析了影响锂离子电池安全性能的因素。包括对电池系　ｆ研究【ＪＪ．储能科学与技术，２０ｌ５，４（１）：ｌ一１８．