锂离子电池的安全性

来源：锂离子电池厂家作者：锂离子电池厂家发布时间：2020-06-18 17:22:22 阅读数:1213

特斯拉锂离子电池

特斯拉汽车公司2017年消耗约20亿个锂离子电池。特斯拉Model S和Model X电动汽车（EV）均从18650电池获得电能，该格式也为笔记本电脑和医疗设备供电。18650电池的直径为18mm，长为65mm。与棱柱形结构和小袋包装相比，金属外壳中的圆柱形电池坚固耐用，具有较高的指定能量（容量），但圆柱体很重，并且成簇的包装密度较低。特斯拉汽车的电池组部署了7000多个电池，为了获得所需的电压和安培数，电池要串联和并联连接。图1说明了流行的18650电池。

图1：用于锂离子电池的18650电池格式

电池的直径为18mm，长为65mm。每特斯拉汽车的电池组使用了7000多个电池串联和并联连接。

特斯拉Model S的功率为90kWh，以瓦特小时计，是电动汽车中最大的电池；它还提供了两次充电之间最长的行驶里程。相比之下，日产聆风配备了30kWh的电池组；福特Focus EV的功率为23kWh，雪佛兰Volt的功率为16kWh，对应的行驶距离较短。一个90kWh的电池可容纳足够的能量，足以为一个典型的美国家庭供电近三天。但是必须给电池充电，这会严重影响电网。它们也很昂贵。仅EV电池就具有经济型汽车的价格标签。

锂离子电池种类繁多，特斯拉选择了高能镍钴铝S模型的化学（NCA）。该电池由松下制造，额定容量为3,100mAh，比能量比大多数竞争者略高。NCA的其他优点是高比功率，可实现强劲的加速和长寿命。与其他锂离子系统相比，负极的成本较高且安全系数较低。图2概述了蜘蛛网中电池的六个最重要的特性。

图2：NCA蜘蛛网照片

NCA提供高比能量和功率，并具有长寿命跨度。制造成本增加和安全边际降低底片。

由BCG研究提供

用于电动动力总成的电池需要高负载和长寿命，而NMC是另一种流行的锂离子系统。NMC代表镍锰钴，还用于电动自行车，电动工具以及军事和医疗设备。阴极可以包含三分之一的镍，三分之一的锰和三分之一的钴，但是也可以使用其他组合来满足特殊要求。这些混合物降低了钴含量，从而降低了原材料成本。图3展示了NMC的特性。

图3：NMC图片

NMC具有良好的整体性能，并且在特定方面表现出色能源。典型的应用是电动动力总成和便携式设备。 NMC的自热率最低。

由BCG研究部提供

另一种流行的用于动力总成的锂离子系统是磷酸铁锂（LiFePO4）。它的优势在于使用寿命长和安全性高，但其容量却比钴基锂离子系统低。另一个折衷方案是较低的标称电压3.3V / cell，而不是其他锂离子系统的常规3.6V / cell。图4总结了磷酸锂的属性。

图4：典型的磷酸锂电池的照片

磷酸锂的安全系数高，使用寿命长跨度，但提供适度的比能量并升高自放电。

由BCG研究部提供

锂离子电池有了很大的改善。1994年，18650电池的容量为1100mAh，每只电池的制造成本超过10美元。2001年，价格降至2美元，容量升至1900mAh。如今，高能量密度的18650电池可提供超过3000mAh的电量，成本进一步下降。但是，这并非没有妥协。新的电池比旧的电池更精致，这会影响周期数。

一家瑞士高档电动自行车制造商比较了旧电池和新电池。他们使用Panasonic和LG Chem的NMC 18650电池。车载电池管理系统（BMS）指示1000次循环后，额定为2Ah的早期版本仍提供了80％的输出。然后是2.2Ah NMC，经过1000次循环后，容量下降到70％。今天使用的现代3Ah NMC经过1000次循环后下降到60％。应该注意的是，新电池的终端容量仍然比旧电池高。3Ah电池在下降60％后仍保持1.8Ah，而2Ah电池在容量下降20％后仅保持1.6Ah。

EV电池必须具有八年保修。为此，新电池只能充电至80％，放电至30％。随着电池随着时间的流逝失去容量，许多BMS逐渐增加充电带宽以维持相等的行驶里程。一旦以全带宽工作，电池就会承受更大的压力，这反映出加速的性能下降和减小的行驶距离。

低温会导致所有电池的性能下降。苦冷还会使充电更加困难，尤其是锂离子充电，因为充电比放电更精细。在低温下使用电池的能力不会自动允许在这些相同条件下充电。低温下的无人驾驶充电可能会永久损坏电池。

锂离子不得在零摄氏度（32°F）以下充电。一些电池制造商允许将充电电流降低到电池额定值的十分之一或0.1C，从而允许在低至-10°C（14°F）的情况下充电，一次充电需要12–15个小时。空电池。在低温下充电太快可能导致枝晶生长，反映出较高的自放电并损害了安全性。

当电池充满电时，电池应力最高为4.20V / cell。保持较低的电压还可以在低温充电期间保护电池，某些BMS会相应地限制电压和电流。许多EV电池均带有加热毯，以在低温下充电时保护电池。加热毯的能量很容易从电网获得。

电动车车主想要超快速充电，并且可以使用技术来实现。虽然方便，但快速充电对电池有害。尽可能避免充电时间少于90分钟或充电速率高于1C。板载BMS记录了严重的电池事件，历史数据可能会违反保修要求。这是一家大型欧洲EV制造商的回应，当时在伦敦举行的最近EV电池大会上出现了超快充电问题。

安全是另一个问题，但这适用于所有电池。20万分之一的故障引发了召回事件这些电池的制造商索尼在2006年将近600万个锂离子电池中使用。索尼表示，在极少数情况下，微小的金属颗粒可能会与电池的其他部分接触，从而导致短路，并可能导致起火。

锂离子电池已经得到改善，故障率降低到了十分之一。这令人放心，但特斯拉计划消耗的20亿批次中，每1000万个的公式可能导致200个电池失效。故障率可能会进一步下降，但是将一吨电池存储在一个地方时要格外小心。电池制造商和在存放电池的仓库中经常发生火灾。

锂离子电池

当锂离子电池暴露在恶劣的环境条件下时，人们所知甚少。内部短路和快速拆卸是值得关注的，一旦发生安全电路无法停止的情况。故障发生在电池内部，电池必须烧坏。

锂离子电池可能是由于短路引起的故障，封闭在金属外壳中的改进型电池将在短期内提供保护。所有电池都可能发生故障，并且还有报告的事件，由于镍镉电池过热，必须拉动波音777的电池断路器。1970年代初期，美国国家运输安全委员会（National Transportation Safety Board）每年报告几次电池事故，涉及当时飞机上新的镍镉船用电池。改进最终使NiCd安全。锂离子电池也会发生这种情况。

航空运输电池仍然是一个问题。有关于空运中可以包含多少金属（或等效锂）的法规。某些内容可能未经注册，阿拉伯联合酋长国通用民航局可以合理地确定UPS 747-400货机上的起火是锂电池引起的。该飞机于2010年9月在飞往德国科隆的约一个小时后降落在迪拜沙漠中。

新的航空货运集装箱正在使用可以承受长达四小时的烈火燃烧的材料进行测试，从而可以在大多数航班上紧急着陆。这些航空货运集装箱的防火面板由纤维增强的塑料复合材料组成，该复合材料通过剥夺氧气来扑灭火焰。

自2008年1月起，人们无法再将备用锂电池装在托运行李中，而在机舱中比在货舱中容易着火。在允许使用灭火器的地方，航空公司允许其作为手提行李。在一次事件中，一个咖啡壶用作笔记本电脑电池的灭火装置。提醒旅客，随身携带的设备和备用电池可以带多少电池。这还包括一次锂电池，并且锂（或等效电池）的最大重量为：

·锂电池2克。如今，很少有消费类产品使用这些一次电池。

·8克二次锂离子。这相当于一块100Wh的电池（笔记本电脑大约有60Wh）

·所有锂离子电池合计25克。这相当于300Wh的锂离子电池。

从2016年开始，锂基电池将不再作为客机运输。此外，货物中的锂离子必须具有30％的充电率。除其他必需的标记和标签外，所有包裹都必须贴有“仅货运飞机”标签。此限制不影响与设备一起包装或包含在设备中的锂离子电池。

在对锂离子进行安全性审查时，其他化学方法也存在问题。镍和铅基电池也会引起火灾，有的被召回。出现故障的原因是由于老化，粗暴操作，过度振动和高温导致的隔板损坏。

在19年的时间里，检查了113次记录的空运电池事件，发现大多数故障是由于包装或处理不当造成的。罪魁祸首是包装不当造成的电池组损坏和电气短路。大多数事件发生在机场或货运枢纽。有问题的电池包括含有锂金属的初级锂，以及铅，镍和碱性系统，而不仅仅是锂离子。如今，现代消费品几乎没有涉及锂离子电池的故障。

参考文献

Batteries International Magazine, Issue 90, Winter 2013/14

Portable Rechargeable Battery Association (PRBA)