[实用新型]内置热扩散结构的高功率安全型锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种高功率锂离子电池，特别是内置热扩散结构的高功率安全型锂离子电池。 

背景技术

锂离子电池具有电压高、比能量高、循环性能好和环境好等特点，越来越广泛应用到3C市场领域、电动车(EV)和混合型电动车(HEV)、风力发电、光伏发电、微电网、智能电网，军事用途及空间技术领域。 

近几年随着新能源汽车、大规模储能示范工程的建设实践，锂离子电池的安全事故时有发生，有的事故已经造成十分严重的后果，事故的主要危害是起火爆炸，而引起事故起火爆炸原因主要是电池热失控。 

锂离子电池爆炸，是电池内容物强烈膨胀，并且电池外壳被胀开甚至撕分成多块碎片，电池内容物瞬间喷射，同时引发火灾。 

锂离子电池爆炸，是电池内部有一定体积气体在受热膨胀后，发生热失控，在瞬间内以恒定的速率辐射性高速膨胀(压力剧增)，形成急剧化学物理反应，在被限制的环境内(定容条件)，各种反应物进一步增剧物理反应化学反应。 

电池的活性物质乃至电解液在外界能量作用下，可能发生的化学变化有以下三种基本形式： 

(1)热分解 

电池内易爆炸物在超过工作温度下或受过热作用时，会发生缓慢的分解并放出热量，就是热分解反应。当温度上升达到一定值(爆炸物的爆发点)时，热分解就会转化为爆炸。 

(2)燃烧 

电解液泄漏时在火点作用下，电池发生破裂时，在瞬间接触大量氧引起氧化反应，电解液泄漏时与静电作用，都可能起火，但，起火发生在密闭状态下，有可能由燃烧转变为爆炸。 

(3)爆炸 

而爆炸一旦发生，爆炸能在爆炸物内部以稳定地传播速度持续进行，一旦在 大规模电池集成系统发生此种情形，有可能引发爆轰，可视为爆炸的稳定状态。 

上述三种反应形式不是相互独立的，在一定条件下，可以相互转化。 

常见的起爆能有以下几种： 

(1)热能：高温、火源或其他热作用，使易爆物局部温度达到爆发点而发生爆炸。 

(2)机械能：易爆物在受到摩擦或撞击作用时，由机械能转化为热能，当达到易爆物爆发点时，就可引起爆炸。 

(3)爆炸能：由一种易爆物爆炸产生的爆炸冲击波能量，使另其它能量受体物质达到其爆发点而发生爆炸。 

按照炸药起爆的理论，热能起爆由前苏联学者谢苗诺夫提出，他认为，爆炸是系统内部温度渐增、导致热能累积的结果。 

国内学者陈玉红，唐志远[陈玉红，唐致远，贺艳兵，刘强，锂离子电池爆炸机理分析，2006，12(3)266～269]通过热箱实验证实：锂离子电池爆炸，属于锂离子电池内部放热反应，这些反应包括： 

1)负极的热分解，及其电解液的参与反应； 

2)电解液分解的放热反应； 

3)正极的热分解反应； 

实验过程，锂离子电池置热箱内加热测试，将LiCoO₂/C(18650)电池经0.5C倍率恒流充放电3个循环，再恒流恒压充电至4.2V，然后分别作如下测试，将电池外接热电偶和万用表测试笔放至加热箱中，进行对该电池的电压与温度随时间的变化测试，加热箱温度由室温升至150℃，恒定温度，当电池在恒温箱中置放27min后，电池表面温度急剧增至260℃，电池爆炸，电压迅速降为零，从电池电压变化，内阻变化反应，结果可知，当电池内部温度升至70℃左右时，SEI膜分解放出热量，升至120℃左右时，负极与电解液反应放出的热量，可能使电池内部的温度升高到电解液、正极的热分解温度，其热分解放出大量的热和气体从而引起电池爆炸。 

上述研究证明，锂离子电池爆炸机理符合爆炸理论基本规律，引起锂离子电池爆炸的直接因素是高温。 

锂离子电池爆炸机理是： 

高温引起定容的锂离子电池内压力剧增； 

压力增加(由于传质系数增加)促进电池内部化学反应的剧增程度； 

电池内部化学反应加剧使热量剧增； 

压力进一步升高(化学反应传质系数进一步加剧)； 

过热引起的恶性循环最终导致压力过饱和； 

电池壳耐压承受超过极限，一些焊缝或缺陷的密封结构处失效，空气中氧进入，形成剧烈氧化，引发起火爆炸。 

锂离子电池爆炸规律遵循以下列逻辑链： 

爆炸形成是热反应加剧(热反应包括了化学反应、物理反应的传质运动)→压力增加→温度上升→热反应加剧连环续进，热效应、压力效应、传质反应连环剧增的逻辑反应过程，最终到达临界点起火爆炸；