磷酸铁锂电池在电动自行车上的应用分析

文◎刘　滨（苏州龙跃锂动车辆有限公司）　摘要：电动自行车用锂电池大致可分为锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂电池。对锂离子电池安全　性问题进行了分析，对磷酸铁锂电池与其他正极材料锂电池性能进行了比较，认为磷酸铁锂电池的　安全性较好，但并非绝对安全。　关键词：电动自行车；锂电池；磷酸铁锂电池；安全性　１　电动自行车用锂电池分析　电动自行车用锂电池大致可分为３大类：锰酸　锂电池、三元材料电池和磷酸铁锂电池。各自特性　如下：　放电循环次数可达２　０００次。　２对“锂电池安全性问题”的几个观点　２．１什么是电池的安全性问题　锂离子电池的不安全行为是指电池在过充电、　短路（包括内部短路和外部短路）、机械滥用条件　（如挤压、穿刺、振动、跌落等）和高温热冲击等　情况下，发生爆炸和燃烧的现象。　从根本上说，锂离子电池的安全问题是电池内　热的问题，如果产生的热不能够迅速释放出去，电　池温度将不断升高，持续上升的温度又ｈｎ，Ｎ电池内　锰酸锂电池：要解决锰酸锂电池的高温性能差　的问题，必须对电池的正极材料、电池结构设计和　电解液配方进行改良。在日本和韩国采用改性锰酸　锂，改性锰酸锂电池在６５℃下存放一星期，容量　只下降９９％。　三元材料电池：以钻、镍、锰三元材料作为正　极材料，它克服了锰酸锂的高温性能差的缺陷，又　提高了电池的比能量。　的化学反应，最终导致电池热失控，直至发生爆　炸、燃烧等安全事故。　磷酸铁锂电池：２００２年以来，美国和加拿大　开始研制磷酸铁锂电池，它成为一种新的具有巨大　发展前途的动力型锂电池。超长寿命，在１℃下充　电池内热的变化主要来自以下３个方面：①化　学反应产生的可逆热，来自电化学反应，与物质的　变化有关；②不可逆热，主要是由于欧姆内阻和极　里，　２…第一６Ｎ＿…　Ｉ化造成的；⑧副反应产生的热，主要来自电解液和　电极材料之间发生的化学反应。　对于电池来说，即使在正常充放电的情况下，　炸，而是存在一定的几率性。　２．３　电池发生燃烧的过程与机理　对于锂离子电池来说，燃烧的主要引发原因是　电解液所用溶剂具有易燃性，且闪点过低。当电池　①、②两部分的热也是始终存在的，如果出现③部　分的热，就可能导致电池出现安全性问题，这部分　处于如上所述的热失控状态时，电池内部的温度和　压力均很高。如果电池安全阀能够及时开启，或者　的热主要来自５个部分：①正极材料的热分解；②　电解液在正极的氧化；③电解液的热分解；④负极　材料的热分解；⑤电解液在负极的还原。　２．２　电池发生爆炸的过程与机理　电池采用非金属的软质材料为外壳时，电池往往不　会发生燃烧。但因压力很大，安全阀开启或外壳破　裂时，可燃性电解液蒸汽和有机小分子气体以极快　锂离子电池是一个密闭的反应体系，内部存在　３个反应：系列电化学和化学反应，储存和释放电　的速度喷出（有文献认为速度为超音速），并与壳　壁发生摩擦，摩擦产生的高温足以点燃低闪点的可　燃性气体组分，导致电池燃烧。因此，电池发生燃　能的正常电极反应。方程式为：　正极：ＬｉＣｏＯ２一Ｌｉ　ＣｏＯ２＋ｘＬｉ　＋ｘｅ一　烧的几率高于电池发生爆炸的几率，但电池爆炸必　定伴随着燃烧。此外，当电池开裂，并且外界环境　的空气湿度较高时，空气中的水分容易与嵌有锂的　碳负极发生剧烈的化学反应，并放出大量的热，也　可以引起电池的燃烧。　负极：Ｃ＋ｘＬｉ　＋ｘｅ一一　Ｃ　电池总反应：ＬｉＣｏＯ２＋Ｃ—Ｌｊ１一　ＣｏＯ２＋Ｌｉ　Ｃ　当电池处于正常温度范围和电压范围时，这些　副反应不会发生，电池内部仅发生正常的充电和放　电反应，ＣＬＢ，１－电池安全。但当电池温度过高，或者　２．４　引起锂离子电池爆炸的因素　引起锂离子电池爆炸的因素包括过充电、短　路（包括内部短路和外部短路）、机械滥用条件　和高温热；中击等，主要是这些因素容易触发电池　充电电压过高时，许多潜在的副反应——如电解质　溶液的还原和氧化分解、正极的热分解等被触发，　产生大量的热，并释放出有机小分子气体。由于反　应剧烈，产生的热量不能有效传递到电池外，引起　电池内部温度和压力的急剧上升。产生更大量的热　和气体产物，此时电池进入无法控制的自加温状　内部的危险性副反应。如过充电超过一定限度　后，电解液势必发生氧化分解，并产生大量的　热，导致电池内部温度升高。当温度上升至一定　态，即俗称的热失控状态。　电池是否发生爆炸与很多因素有关，如电池的　荷电状态、副反应的进行速度和发生程度、热传递　程度后（一般认为１３０℃是一个危险界限），引　发前面所述的系列放热反应。当短路发生时，电　池因以非常大的电流放电，其温度也极易升至　１３０。Ｃ以上。而挤压、穿刺、振动、跌落均可能　导致电池发生短路现象，高温热冲击则可使电池　速度、安全阀开启的灵敏度、外界环境温度等，因　此并非所有进入到热失控状态的电池都会发生爆　２９１２复６龃冒一