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EVEVEVEV用锂离子电池系统用锂离子电池系统用锂离子电池系统用锂离子电池系统安全性的思考安全性的思考安全性的思考安全性的思考史鹏飞1周玉林2朱延春2程新群1(1.哈尔滨工业大学；2.哈尔滨光宇电源股份有限公司)汽车产业发展面临的形式•石油资源紧缺，油价上涨；•燃油汽车尾气严重污染环境；•锂离子电池具有比能量大、单体电压高的点；全球汽车产业共同选择发展电动汽车1897年伦敦的电动汽车1998.12.10Prius投放市场1““““电动汽车科技发展十二五专项规划电动汽车科技发展十二五专项规划电动汽车科技发展十二五专项规划电动汽车科技发展十二五专项规划””””指出：经多年探索实践，国际汽车产业界达成了电动汽车产业化战略共识：技术路线上，近期（2010-2015年），在依靠传统内燃机汽车技术改进和推进车辆小型化实现降低排放的同时，应尽快推进混合动力技术的应用，并发展小并发展小并发展小并发展小型纯电动汽车和插电式混合动力电动车型纯电动汽车和插电式混合动力电动车型纯电动汽车和插电式混合动力电动车型纯电动汽车和插电式混合动力电动车；中期（2015-2020）加大小加大小加大小加大小型纯电动汽车和插电式混合动力汽车推广力度型纯电动汽车和插电式混合动力汽车推广力度型纯电动汽车和插电式混合动力汽车推广力度型纯电动汽车和插电式混合动力汽车推广力度；2020年之后，纯电驱纯电驱纯电驱纯电驱动技术将逐步占据主导地位动技术将逐步占据主导地位动技术将逐步占据主导地位动技术将逐步占据主导地位。就电池而言规划指出以动力电池模块为核心，实现我国以能量型锂离子动力电池为重点的车用动力电池大规模产业化突破。发展电动汽车是迫切的研发安全性好高比能量型的动力锂离子电池十分关键2锂离子电池质量比能量高是优点存在安全隐患也是它的缺点存在安全隐患也是它的缺点价格的高低是它能否被市场接受的关键因素3在保持其高比能量前提下�保保保保证证证证安安安安全全全全性性性性是是是是研研研研发发发发锂锂锂锂离离离离子子子子电电电电池池池池动动动动力力力力系系系系统统统统的的的的首首首首要要要要思思思思考考考考影响影响影响影响EVEVEVEV用锂离子电池系统安全性的因素用锂离子电池系统安全性的因素用锂离子电池系统安全性的因素用锂离子电池系统安全性的因素1.1.1.1.影响单体电池安全性的因素影响单体电池安全性的因素影响单体电池安全性的因素影响单体电池安全性的因素1.11.11.11.1充放电时电池会释放热量充放电时电池会释放热量充放电时电池会释放热量充放电时电池会释放热量1.21.21.21.2单体电池内的不安全反应可能使电池燃烧或爆炸单体电池内的不安全反应可能使电池燃烧或爆炸单体电池内的不安全反应可能使电池燃烧或爆炸单体电池内的不安全反应可能使电池燃烧或爆炸1.31.31.31.3电池短路电池短路电池短路电池短路1.41.41.41.4合理的设计合理的设计合理的设计合理的设计1.51.51.51.5精良工艺、高自动化程度的生产线、符合条件的生产环境、科学生精良工艺、高自动化程度的生产线、符合条件的生产环境、科学生精良工艺、高自动化程度的生产线、符合条件的生产环境、科学生精良工艺、高自动化程度的生产线、符合条件的生产环境、科学生产管理体系产管理体系产管理体系产管理体系2.2.2.2.影响电池模块（或电池组）安全性的因素影响电池模块（或电池组）安全性的因素影响电池模块（或电池组）安全性的因素影响电池模块（或电池组）安全性的因素2.12.12.12.1控制电池充放电时电压维持在合理的范围内控制电池充放电时电压维持在合理的范围内控制电池充放电时电压维持在合理的范围内控制电池充放电时电压维持在合理的范围内2.22.22.22.2模块的结构必须坚固、紧凑模块的结构必须坚固、紧凑模块的结构必须坚固、紧凑模块的结构必须坚固、紧凑2.32.32.32.3有良好的散热设计有良好的散热设计有良好的散热设计有良好的散热设计2.42.42.42.4有良好的电绝缘性有良好的电绝缘性有良好的电绝缘性有良好的电绝缘性3.3.3.3.安全性设计与比能量之间的关系安全性设计与比能量之间的关系安全性设计与比能量之间的关系安全性设计与比能量之间的关系41.11.11.11.1充放电时电池会释放热量充放电时电池会释放热量充放电时电池会释放热量充放电时电池会释放热量图一、40AhLFB电池不同倍率的充放电曲线锂离子电池充放电的电量基本持平，但是其电压间的差别较大，这就是电池工作时产生热量的原因。因为内阻的存在，充放电时电池的能量效率明显小于100%。特点•电池工作时内部温度一定升高•释放热量的多少与充放电制度相关联•温度升高的程度取决于散热的速率51.2单体电池内的不安全反应可能使电池燃烧或爆炸1.2.1锂离子电池内物质间的危险反应表一、高温时电池内负极活物质发生的放热反应结论是：结论是：结论是：结论是：电池工作时内部温度一定升高，温度升高的程度取决于散热的速率。阻止温度上升到危险区域是阻止放热反应发生的唯一办法不同的正极材料只是危险性有差异表二、DSC检测正极材料与1mol/LLiPF6EC/DEC反应的放热量当温度高到一定程度都是危险的，与采用什么正极材料无关61.21.21.2单体电池内的不安全反应可能使电池燃烧或爆炸单体电池内的不安全反应可能使电池燃烧或爆炸单体电池内的不安全反应可能使电池燃烧或爆炸1.2.11.2.11.2.1锂离子电池内物质间的危险反应锂离子电池内物质间的危险反应锂离子电池内物质间的危险反应1.2.21.2.21.2.21.2.2不合理充放电制度招致的危险反应不合理充放电制度招致的危险反应不合理充放电制度招致的危险反应不合理充放电制度招致的危险反应�升高充电电压升高充电电压升高充电电压升高充电电压（当电池达到充满状态时继续充电,充电电压超过合理范围）时负极负极负极负极由嵌锂过度成析锂再进一步生长锂枝晶，枝晶可能造成电池内短路；若金属锂与溶剂反应放热量大。正极正极正极正极电势的正移，某些正极材料不稳定或充电电压可能超过溶剂稳定的电化学窗口值，放热量更大。不合理的高倍率充电也会导致类似的结果。�放电电压必须控制放电电压必须控制放电电压必须控制放电电压必须控制（放电时负极的正常反应是Li+脱嵌过程，当层间Li+很少时其电化学极化会越来越大，）过高的负极电极电势同样是危险的。结论是有效地控制电池充放电电压在合结论是有效地控制电池充放电电压在合结论是有效地控制电池充放电电压在合结论是有效地控制电池充放电电压在合理数值区间是电池安全工作的必要条件理数值区间是电池安全工作的必要条件理数值区间是电池安全工作的必要条件理数值区间是电池安全工作的必要条件71.3、电池短路电池短路外短路极耳处内短路隔膜处内短路短路时瞬间电池产生大量的热,使电池温度升高到诸多危险反应发生，进而导致泄漏、起火、爆炸。结论是防止短路是电池安全工作的基石是结论是防止短路是电池安全工作的基石是结论是防止短路是电池安全工作的基石是结论是防止短路是电池安全工作的基石是保证电池安全工作的头等大事保证电池安全工作的头等大事保证电池安全工作的头等大事保证电池安全工作的头等大事。81.4、合理的设计1.4.11.4.11.4.11.4.1合理的正负极比例合理的正负极比例合理的正负极比例合理的正负极比例结论是从安全角度分析，设计成负极容量大于正极是必需的结论是从安全角度分析，设计成负极容量大于正极是必需的结论是从安全角度分析，设计成负极容量大于正极是必需的结论是从安全角度分析，设计成负极容量大于正极是必需的1.4.21.4.21.4.21.4.2稳固的电池结构稳固的电池结构稳固的电池结构稳固的电池结构保证结构稳定、良好的密封性及电绝缘性保证结构稳定、良好的密封性及电绝缘性保证结构稳定、良好的密封性及电绝缘性保证结构稳定、良好的密封性及电绝缘性1.4.31.4.31.4.31.4.3合理地使用防过热防爆措施合理地使用防过热防爆措施合理地使用防过热防爆措施合理地使用防过热防爆措施91.5精良工艺、高自动化程度的生产线、符合条件的生产环境、科学产管理体系诸多因素直接影响产品的均一性。均一性是电池组合的必要条件、也是电池组在使用期内不过早地出现落后电池的必要条件。落后电池容易成为危险电池。结论是现代化的技术与管理是保证电池均一结论是现代化的技术与管理是保证电池均一结论是现代化的技术与管理是保证电池均一结论是现代化的技术与管理是保证电池均一性的必要条件。简易设备密集劳动力不可取性的必要条件。简易设备密集劳动力不可取性的必要条件。简易设备密集劳动力不可取性的必要条件。简易设备密集劳动力不可取10综上所述保证单体电池安全工作的条件：综上所述保证单体电池安全工作的条件：综上所述保证单体电池安全工作的条件：综上所述保证单体电池安全工作的条件：�严格严格严格严格保证保证保证保证保证保证保证保证电池不存在短路的隐患、电池不存在短路的隐患、电池不存在短路的隐患、电池不存在短路的隐患、�保证保证保证保证电池内部温度远离危险值、电池内部温度远离危险值、电池内部温度远离危险值、电池内部温度远离危险值、�控制电池组内诸多电池的各项性能控制电池组内诸多电池的各项性能控制电池组内诸多电池的各项性能控制电池组内诸多电池的各项性能指标的均一性。指标的均一性。指标的均一性。指标的均一性。11建立控制系统目的建立控制系统目的：控制每只电池的电压时时在合理的范围内。阻止不合理充放电制度招致的有害反应。对控制系统的要求：对控制系统的要求：1.控制系统要科学合理；2.牢固可靠耐冲击振动；3.工作时系统稳定不因环境温度湿度的波动而起伏、不因电磁干扰而工作不正常；4.控制系统不能给电池带来新的不均一的因素。5.控制系统的可靠性必须高，它是保证电池安全工作不可缺少的必要组成之一。二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素2.12.12.12.1控制电池充放电时电压维持在合理的范围内控制电池充放电时电压维持在合理的范围内控制电池充放电时电压维持在合理的范围内控制电池充放电时电压维持在合理的范围内12二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素二、影响电池模块（或电池组）安全性的因素•2.2模块的结构必须坚固、紧凑•2.3有良好的散热设计有效及时地散热是电池安全工作的必要条件。散热系统高效、保散热系统高效、保散热系统高效、保散热系统高效、保证诸多电池温度均一、结构轻巧则应是设计不断追求的目标。证诸多电池温度均一、结构轻巧则应是设计不断追求的目标。证诸多电池温度均一、结构轻巧则应是设计不断追求的目标。证诸多电池温度均一、结构轻巧则应是设计不断追求的目标。•2.4有良好的电绝缘性电池组的电压较高时：A.电极对地漏电电流、B.电池两极之间的绝缘程度、C.控制电路带给电池的漏电电流必须考虑。当漏电电流不均一时，它会造成电池荷电态的不均一电绝缘不一致可能造成电池后天的不均一性。电绝缘不一致可能造成电池后天的不均一性。电绝缘不一致可能造成电池后天的不均一性。电绝缘不一致可能造成电池后天的不均一性。不