過充電對磷酸鐵鋰電池有什么危害?
磷酸鐵鋰電池在充電時發生的反應,Li不完全脫出,生成物為LiFeP04和FeP04。LiFeP04—LiFeP04+FeP04+Li+xe電池過充時,Li+大量脫出,生成的FePO4增多,引起較大的極化電阻和極化電勢,使電池的電壓快速升高;過多的鋰脫出,極片上的粘結劑被破壞,使正極膏片從集流體上脫離,出現大面積掉膏,脫出的Li聚集在負極片上,形成點狀白點;電池正極附近的高氧化氛圍引起電解液氧化分解使過充電池剩余的電解液較少,電解液分解產生更多的熱量和氣體,使電池鼓脹加劇,爆炸的可能性加大;LiFePO4在過充時發生了不可逆分解,有氧氣和含Fe的物質生成,電解液因含有Fe3+而顯出黃色,與解剖電池時看到的情況一致。


水(shui)(shui)、乙醇等質(zhi)(zhi)子性(xing)(xing)化(hua)合(he)物,在磷酸鐵鋰(li)電(dian)(dian)池的(de)(de)首次充放(fang)電(dian)(dian)過(guo)程中,與LiPF6發生(sheng)反應(ying),造(zao)成HF含量(liang)的(de)(de)增加(jia);而(er)水(shui)(shui)和(he)HF又會和(he)SEI膜(mo)的(de)(de)主要成分(fen)ROC02Li和(he)Li2C03反應(ying),從而(er)破壞SEI膜(mo)的(de)(de)穩(wen)定性(xing)(xing),致使電(dian)(dian)池性(xing)(xing)能(neng)惡化(hua),影響電(dian)(dian)池的(de)(de)安全(quan)性(xing)(xing)能(neng)。金屬(shu)雜質(zhi)(zhi)離(li)子具(ju)有比鋰(li)離(li)子更(geng)低的(de)(de)還(huan)原(yuan)電(dian)(dian)位,在充電(dian)(dian)過(guo)程中,它(ta)們首先(xian)嵌入碳(tan)負極(ji)中。減少鋰(li)離(li)子嵌入的(de)(de)位置(zhi),從而(er)減少了磷酸鐵鋰(li)電(dian)(dian)池的(de)(de)可逆容量(liang)。金屬(shu)雜質(zhi)(zhi)離(li)子含量(liang)高時,不(bu)僅會導致鋰(li)離(li)子電(dian)(dian)池可逆容量(liang)的(de)(de)下降而(er)且還(huan)可能(neng)因為它(ta)們的(de)(de)析出導致石墨電(dian)(dian)極(ji)表面(mian)無法形成有效(xiao)的(de)(de)SEI膜(mo),使整(zheng)個電(dian)(dian)池的(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)遭到破壞;因此必須將(jiang)雜質(zhi)(zhi)控(kong)制在一(yi)定范圍內。
不同倍(bei)率充電對電池的安全(quan)性能(neng)也有(you)影響。
在(zai)對磷(lin)酸鐵鋰(li)電(dian)池(chi)以(yi)不同的(de)(de)倍(bei)率(lv)進(jin)行過(guo)充實(shi)(shi)驗(yan)發現(xian),低倍(bei)率(lv)(〈C/5)完(wan)成(cheng)(cheng)過(guo)充實(shi)(shi)驗(yan),不會(hui)有熱(re)(re)耗散;高于1C倍(bei)率(lv)完(wan)成(cheng)(cheng)電(dian)池(chi)過(guo)充實(shi)(shi)驗(yan)有熱(re)(re)耗散。電(dian)解質氧化反應產生(sheng)的(de)(de)熱(re)(re)效應與電(dian)流的(de)(de)平方(fang)成(cheng)(cheng)正(zheng)比(bi),所(suo)以(yi)高倍(bei)率(lv)充電(dian)產生(sheng)的(de)(de)熱(re)(re)量(liang)高,電(dian)池(chi)容易發生(sheng)爆(bao)炸。
對磷酸(suan)鐵鋰(li)電(dian)(dian)池在(zai)高(gao)壓(ya)下(xia)(xia)充電(dian)(dian)時(shi)內部發生的(de)(de)(de)放熱(re)(re)反應(ying)有(you)如下(xia)(xia)解釋:在(zai)大(da)約4.5V時(shi),比(bi)在(zai)普通充電(dian)(dian)條件下(xia)(xia)有(you)更多鋰(li)離(li)(li)子(zi)(zi)嵌入負極,如果碳負極的(de)(de)(de)嵌鋰(li)能(neng)力差,金屬鋰(li)可能(neng)沉積在(zai)碳表(biao)面,則可引起劇(ju)烈的(de)(de)(de)反應(ying);電(dian)(dian)解質的(de)(de)(de)氧化(hua)電(dian)(dian)位(wei)(wei)比(bi)鋰(li)離(li)(li)子(zi)(zi)完全從正(zheng)(zheng)極脫出的(de)(de)(de)電(dian)(dian)位(wei)(wei)大(da)約高(gao)0.2V,鋰(li)離(li)(li)子(zi)(zi)從正(zheng)(zheng)極脫出后,電(dian)(dian)解質開始氧化(hua),此(ci)氧化(hua)反應(ying)產(chan)(chan)明(ming)顯的(de)(de)(de)熱(re)(re)效應(ying);同時(shi)熱(re)(re)量與電(dian)(dian)流的(de)(de)(de)平方(fang)、電(dian)(dian)阻成(cheng)正(zheng)(zheng)比(bi)。所以高(gao)倍率充電(dian)(dian)產(chan)(chan)生的(de)(de)(de)熱(re)(re)量高(gao)。
決定鋰(li)離子電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)過充(chong)(chong)行(xing)為的(de)(de)(de)(de)關鍵(jian)因素是(shi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)內部(bu)(bu)產生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)量,包括化(hua)(hua)學熱(re)(re)(re)和(he)物理熱(re)(re)(re),它是(shi)導致(zhi)安全(quan)(quan)問(wen)題(ti)的(de)(de)(de)(de)直(zhi)接(jie)原因。在(zai)LixC02體系的(de)(de)(de)(de)過充(chong)(chong)過充(chong)(chong)過程中,電(dian)(dian)(dian)能(neng)、化(hua)(hua)學能(neng)及物理熱(re)(re)(re)之間(jian)是(shi)這(zhe)樣一來轉化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de):當x介于0.16和(he)1.0之間(jian)時,主(zhu)要(yao)是(shi)外(wai)界(jie)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)能(neng)轉化(hua)(hua)為化(hua)(hua)學能(neng)平穩地儲存在(zai)體系內,小部(bu)(bu)分電(dian)(dian)(dian)能(neng)因各(ge)種極化(hua)(hua)產生(sheng)(sheng)物理熱(re)(re)(re)而散發出去,電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)溫升很小。當x=0.16時,Lixc02被氧(yang)化(hua)(hua)為Co并放(fang)出氧(yang)氣(qi),CO又(you)與電(dian)(dian)(dian)解液反應(ying),放(fang)出大(da)量的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re),使(shi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)內部(bu)(bu)溫度(du)達(da)到180℃以(yi)上,觸(chu)發了陽(yang)極Liq及鋰(li)金(jin)屬的(de)(de)(de)(de)劇烈氧(yang)化(hua)(hua)燃燒,瞬(shun)間(jian)產生(sheng)(sheng)大(da)量的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)量和(he)氣(qi)體,發生(sheng)(sheng)熱(re)(re)(re)失(shi)控(kong),從而導致(zhi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)(de)然燒和(he)爆炸。所(suo)以(yi)說(shuo),陰極是(shi)導致(zhi)過充(chong)(chong)安全(quan)(quan)問(wen)題(ti)的(de)(de)(de)(de)直(zhi)接(jie)導火線(xian)(Trigger),而陽(yang)極則(ze)是(shi)導致(zhi)過充(chong)(chong)安全(quan)(quan)問(wen)題(ti)的(de)(de)(de)(de)最終完成(cheng)者。
熱(re)是決(jue)定電(dian)池過充成敗的唯(wei)一因素,在過充過程(cheng)中有放(fang)熱(re)(包(bao)括化學(xue)熱(re)和(he)物理(li)熱(re))與散熱(re)一對(dui)矛盾,若(ruo)兩者相等,則系(xi)(xi)統(電(dian)池)溫(wen)度達(da)到平(ping)衡;若(ruo)放(fang)熱(re)大于(yu)散熱(re),則會導(dao)致(zhi)體系(xi)(xi)溫(wen)度升溫(wen),并試圖在較高的溫(wen)度點(dian)建(jian)立(li)新的平(ping)衡。若(ruo)該平(ping)衡點(dian)達(da)到或(huo)超過陽極化學(xue)反應(ying)的臨界點(dian)(180℃),則休系(xi)(xi)發生熱(re)失控,導(dao)致(zhi)體系(xi)(xi)著火、爆炸(zha)等安全問題。改警(jing)外內散熱(re)可提高池的抗過充性能。
以不(bu)同大小電流(倍率)進行過充,雖(sui)然(ran)其發(fa)生熱(re)失控所需(xu)的(de)時間各(ge)不(bu)相同,但總是發(fa)生在(zai)陰極材(cai)(cai)料Lix;0.16時,說明是該材(cai)(cai)料晶體結構(gou)穩定(ding)的(de)臨界點,也是決定(ding)過充能(neng)否(fou)安全(quan)通過的(de)關鍵點。
大的(de)cB(如cB粗(cu))對過充(chong)性(xing)能并無(wu)明顯(xian)改善,否(fou)定(ding)了(le)前(qian)人所認為的(de)過充(chong)中熱(re)失控(kong)是由于過充(chong)的(de)鋰(li)析(xi)出,產(chan)生鋰(li)枝晶進(jin)而(er)刺破隔膜造成內(nei)部短路(lu)發熱(re)而(er)導致。





