鋰離子電池機械完整性研究現狀和展望

摘要：本文總結了車用鋰離子電池機械完整性領域研究現狀，指出了存在的問題，并明確未來的重要發展方向。在交通事故中受到機械過載，包括在振動與沖擊、大變形、針刺等載荷條件下，鋰離子電池會發生內部短路、溫度升高、電池體內壓強上升，從而導致熱逃逸現象，最終有可能引發失火及爆炸等災難性后果。這將影響車用鋰離子電池的安全性，阻礙電動汽車的推廣與應用。目前研究者從材料、單體、模組、系統等不同尺度，通過實驗、理論、仿真等方法，考慮多物理場耦合機制多方位地對鋰離子電池展開研究。

關鍵詞：鋰離子電池；機械完整性；多物理場耦合

1 鋰離子電池機械完整性概念

鋰離子電池機械完整性是指電池在受到機械過載條件下維持電池正常電化學功能的性質。以單體鋰離子電池在機械過載條件下的安全行為為例：電池在受到碰撞載荷下結構發生大變形，從而導致內部組分材料失效，包括隔膜破裂或陰陽極材料斷裂，進而引發內部短路022；內部短路產生大量的焦耳熱從而導致單體電池結構中的材料分解，結構內部壓強迅速增加與聚集，與此同時熱逃逸現象產生；當壓強達到結構承載極限會引發可能的失火與燥炸B3-25。上述單體電池機械完整性失效的產生過程是不可逆的，同時還會迅速向相鄰單體電池傳播，導致大面積.多米諾骨牌式的電池系統發生災難性后果D6-7。該過程具有高度的非線性、復雜性，無法用單一的參數或準則來衡量電池機械完整性，因而，只有進行電池材料、電池單體、電池模組、電池包在過載下的失效安全設計（降低發生機械完整性失效的概率）與失效傳播防護系統設計（減輕發生事故的嚴重程度）兩者協同工作，才能夠大幅提高車用動力電池系統的安全。

2 主要車用鋰離于電池材料體系

將鋰離子電池現有的或潛在的陰極材料和陽極材料。決定鋰離子電池性能的主要因素是陰極材料，因而一般所說的鋰離子材料體系以陰極材料命名。綜合考慮材料體系的安全、成本、能量密度、電性能、原材料等條件，現有及未來可能成為新一代動力電池材料主要可分為LiFePO2、LiMn2O4、LiNi，Co，MngxO2、 LiNi，Co，Ala.yO2 及LiCoO2等幾個體系。陰極材料現在用的比較多的是石墨和LiIi，O2 17-23，同時隨著研究的深入Sn、Si/C復臺材料、Si 等材料由于其良好的能量密度有望成為下一代鋰離子電池的陽極材料（29-32]。

LiCoO2材料體系發展相對成熟，是目前用于大量生產鋰離子電池的陰極材料。其循環性能好、容量高，但安全性能差、污染環境。近年來鈷酸鋰的市場占比逐年下降，由2011年的63.73%下降到2015年的250%，因此鈷酸鋰材料體系在未來電動汽車行業大量使用的可能性較小。

LiMn2O，陰極材料由于其出色的大電流充放電性能、環保、資源豐富、成本低等特點，正在成為鋰離子體系的主流之一-04373 但是能量密度低和高溫性能差是其最主要的缺點30。總體而言錳酸鋰材料體系有望成為未來電動車行業大規模使用的材料體系之一。磷酸鐵鋰離子電池具有很高的熱穩定性、循環性能、倍率性能，因此也成為鋰離子體系的主流之一。其缺點是材料穩定性差、合成中質量控制困難.加工性能差、材料導電性差、低溫性能差、能量密度偏低街。

對于三元材料（NCA和NCM）而言，由于其高電壓和高能量密度的重要優點以及高、熱穩定性好，成為現有鋰離子陰極材料的后起之秀，被認為是下一代鋰離子動力電池的主力軍9，但其安全性差是制約其快速發展的主要原因之一。

此外，電解液和隔膜也是鋰離子電池的重要組成部分。對于電解質而言，其主要由鹽和溶劑組成。其常用的溶劑主要由碳酸乙烯脂（EC）、碳酸丙烯脂（PC）、碳酸丁烯脂（BC）、二甲基碳酸酯（DMC）、二已基碳酸酯（DEC）、乙酸乙酯（EA）等，最常用的鹽主要有LiBF4、LiPF4、LiAsF%、 LiClO，等。

電解液的選取、配比對不同的材料體系有著至關重要的作用，文獻[40]對電解液做了較為完整的綜述。同時，隔膜也是維持鋰離子電池機械完整性至關重要的-環，它置于陰極與陽極材料之間，用于防止兩者的物理接觸；同時也提供離子通道。根據結構與成分，隔膜可分為3種形式：微孔聚合物膜、無紡布墊及無機混

合物膜。込3狆隔膜都具有厚度薄、孔隙率高、熟穏定性好等代點。其中，徼孔聚唏怪膜在液體屯解液屯池中返用廣泛。微孔聚合物膜現在主要有聚乙唏（PE）、聚丙唏（PP）、聚乙唏聚丙唏混合物（PE-PP）、高密度聚乙唏（HDPE） 4神主要材料。在迭取隔膜吋主要美注隔膜的化學穏定性、厚度、孔隙率、孔徑、滲透性、機械彊度、可濕性、尺寸穂定性、熱收縮性、高溫閉孔性、成本等因素。

3 鋰離子電池機械完 整性研究的展望

鋰離子電池機械完整性研究的關鍵前沿問題及工程技術瓶頸包括：

1）深刻理解鋰離子電池的失效模式。

鋰離子電池的失效模式多樣，且很難用單一的物理量、準則或過程進行刻畫。例如對于內部短路這- -常見的安全問題，明晰內部短路產生機制、傳播行為，能夠為降低內部短路風險及后果產生深刻影響。在此基礎上，提出用于測試電池單體或模組的內部短路風險的實驗標準及手段也具有重要意義。

此外，建立完善物理意義明確、簡單易用、涵蓋單體電池、電池模組、電池系統的失效開始以及傳播物理模型或數值計算模型用于電動汽車動力電池機械完整性設計具有寶貴的工程指導價值。

2）提出有效的表征手段與系統。

鋰離子電池發生機械完整性失效往往具有較長時間的孕育期。而一旦臨界狀態達到，在極短的時間內便發生不可逆轉的失效。因此在現有車載電池管理系統中搭載類似的提前預警系統，能夠極大程度上降低電池失效導致的災難風險。

3）提高電池材料本身的機械完整性能。

由于電池陽板材料經常是鋰離子電池中經常發生失效的材料，因此發展新型電池材料、新型材料選擇方法與理論以及陽極材料電化學反應機制將成為研究重點。另一方面，更加深人地理解硅或合金材料的陰極電極材料在鋰離子電池使用過程中的失效機理將成為亟待解決的問題。

4 結語

當前，中國已將新能源汽車業列為今后一個時期大力發展的戰略性新興產業之一，這就為鋰離子電池打開了更為廣闊的市場空間。同時，在電動自行車領域、航天領域、軍事領域之中，鋰離子電池也具有非常好的發展前景。筆者堅信，隨著鋰離子電池技術的進一步發展，鋰離子電池所具有的性能必然會愈來愈高，其應用價值也會越來越大，并朝著高能量密度化、高功率化、大型化等趨勢繼續發展。

參考文獻：

[1] 李明月.新型鋰離子電池材料研究進展[J].化工生產與技術，2010（4）.

[2] 賈豐春.鋰離子電池負極材料研究進展[J].遼寧化工，2011（11）.

作者簡介：蔣彥璞，1983年9月10日，男，漢族，河南省新鄉市，本科，助理工程師，機械設計。