离子电池安全性研究及影响因素分析

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1、分类号UDC密级编号中国科学院研究生院博士学位论文v823265壁墓壬堕池窒全蛙殛窒曩堂随固塞坌堑指导老师鲤晶莹堡塑虽生国科堂瞳土塑丝苤缝皇建星鼓查班塞逝申请学位级别擅±堂僮学科专业名称挝挝塑堡皇丝堂论文提交日期2Q竖生』且论文答辩日期2蝼生』且培养单位圭国整堂瞳土基熊丕缝皇篮皇建苤受巍逝学位授予单位史国科堂医婴塞生睦答辩委员会主席题圭整摘要锂离子电池安全性研究及影响因素分析黄海江(材料物理与化学)指导教师：解晶莹锂离子电池因其高能量密度及采用有机易燃电解液体系，当发生误用或滥用时，在一定条件下引发热失控，会引起不安全事故。特别对于动力电池系统的电池组，若各单体处于jF均衡状态，则

2、对某一特定单体电池，无异于处于滥用状态，该单体电池的下安全可能引起整个电池组的不安全圈此对电池休系的安仝性研究已成为当前锂离子电池领域的研究热点。首先通过对文献总结，阐述了锂离子电池安全性的实质即热的产生和散逸的竞争过程，并给出了安全一不安全的能量触发过程图。论文研究了不同单体锂离子电池在不同循环状况和不同使用条件下对滥用的容忍程度以及发生安全性问题的主要原因。系统地研究了2000只商用铝塑膜包装LiC002／MPCF锂离子电池在循环过程中耐滥用能力的变化和其起因。在实验循环范围内，循环对机械滥用的安全性影响甚小，对电、热滥用的安全性有明显的影响。对过充电、短路和热箱实验都有一个相

3、应的循环次数，循环小于该次数，电池为安全，循环大于该次数，电池为不安全，而且随循环增加不安全性更严重。结合XRD、SEM、内阻等测试结果表明：随着循环次数增加，LiC002开裂，嵌锂能力下降，负极表面SEI膜增厚，并导致内阻增加；在循环末期出现锂和锂的化合物。论文还通过计算，对短路实验中观察到的循环后期不安全电池初期温升速率低于安全电池温升速率给出了解释。高温搁置后，电池抗热扰动能力变差。充电态电池经70—904C搁置4h后，电池对短路实验证明是安全的，而过充电测试对于90。C搁置后电池3C12V出现热失控。电池经过高温搁置后的充放电性能衰退，并随着温度升高而加剧，这主要是由于高温

4、搁置时负极表面SEI膜因嵌锂负极和电解液反应而变厚和致密，使得负极中的锂在后续放电时较难脱出，实验中发现内阻在80。C有突变。高温搁置后电池安全行为是和内阻变化相关的。研究了LiC002，LiMn204，包埋的LiNi02和由LiMn204和包埋的LiNi02组成(1：1wt％)的复合材料作为正极活性材料所组成的电池的耐热安全性。结果表明：摘要LiMn20。电池具有最好的耐热安全性，最高耐热安全温度为165。

5、C，复合材料电池也具有良好的耐热安全性(最高耐热安全温度为150℃)，同时具有优良的过充安全性，在5C18V条件下仍能保持安全。复合材料与LiC002具有相近的容量和循环性能

6、。对不同制造商的编膜材料对比研究表明，隔膜对F乜池的安全性特剐是在闭合和破裂温区有直接和重要影响。正极成型时优化的辊压率可以很大改善电池安全性和提高充放电性能。提出了电池的元电池模型，计算给出了电池活性物质和集流体的电流密度及温升速率分布，表明近正极极耳部位电流密度及温升速率最大，相对定量地说明了红外热成像仪观察到的电池放电时表丽热分布不均一十牛。关键词：铝塑膜锂离子电池：安全性；滥用；循环；高温搁置；正极材料中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论丈StudyonsafetyofUthium-ionbatteriesHuangHai-jiang(MaterialPhysic

7、s＆Chemistry)Directedby：XieJing—yingAbstraetWiththelargescaleapplications，safetystudyonlithiuna-ionbatterieshasbeenmuchconcernedrecently．Duetothehighenergydensityandorganicflammableelectrolytesystem，lithium—ionbatleriesmayundergothermalrunawayundercertainconditions，leadingtn1，nqa佧n，etltsP￡ignit

8、ion；exploqionwhenthe．yareabusednrmisusedInparticular,forbatterypacksusedinlargepowersystem，theoneofsinglebattery,infact，isintheabusedstateifthepackisseriouslyunbalanced，asaresult，thenon—safetyofthissinglebakerymaycausetheunsafeeventofth