论文题目: 锂离子电池安全性研究及影响因素分析
论文类型: 博士论文
论文专业: 材料物理与化学
作者: 黄海江
导师: 解晶莹
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
文献来源: 中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）
发表年度: 2005
论文摘要: 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,若各单体处于非均衡状态,则对某一特定单体电池,无异于处于滥用状态,该单体电池的不安全可能引起整个电池组的不安全。因此对电池体系的安全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-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LiCoO2/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,LiCoO2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70-90℃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℃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℃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LiCoO2,LiMn2O4,包埋的LiNiO2和由LiMn2O4和包埋的LiNiO2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:
论文目录:
摘要
Abstract
目录
第一章 引言
1.1 锂离子电池体系
1.1.1 锂离子电池工作原理
1.1.2 锂离子电池的特点
1.1.3 典型的锂离子电池的结构
1.2 电池材料及其与安全性相关研究进展
1.2.1 正极材料
1.2.1.1 LiCoO_2
1.2.1.2 LiNiO_2
1.2.1.3 尖晶石LiMn_2O_4
1.2.1.4 复合正极材料
1.2.2 负极材料
1.2.2.1 石墨
1.2.2.2 软碳材料
1.2.2.3 硬碳材料
1.2.2.4 碳材料的不可逆反应
1.2.3 电解液
1.2.3.1 有机溶剂
1.2.3.2 锂盐
1.2.3.3 电解液的还原分解
1.2.3.4 SEI膜的研究
1.2.3.5 电解液热稳定性的研究
1.2.3.6 电解液添加剂的研究
1.3 锂离子电池组成成分的热行为研究
1.3.1 SEI膜的分解
1.3.2 嵌锂负极与电解液的反应
1.3.3 电解液分解
1.3.4 正极活性物质分解
1.3.5 金属锂的反应
1.3.6 电池放电时产生的热量(焓变、过电位、欧姆阻抗)
1.4 外界环境的热扰动与电池的热失控
1.4.1 外界环境的热扰动
1.4.2 锂离子电池的热失控
1.5 锂离子电池的滥用实验及安全性
1.6 电池设计与电池的安全性
1.6.1 制造工艺及制造过程与电池的安全性
1.6.2 电池设计
1.6.3 安全保护电路
1.7 课题提出及研究内容
第二章 实验方法和实验仪器
2.1 电池制作
2.1.1 电极制作
2.1.2 电池装配
2.1.3 电池化成与性能测试
2.2 电池安全实验
2.3 材料测试方法及仪器
2.3.1 X射线粉末衍射(XRD)
2.3.2 扫描电镜(SEM)实验
2.3.3 红外热成像仪
2.3.4 粒度仪
2.3.5 水分测试仪
2.3.6 粘度计、细度仪
2.3.7 力学拉伸仪
2.3.8 聚烯烃隔膜的测试方法
第三章 锂离子电池循环对安全性的影响
3.1 实验条件
3.2 循环对电池特性的影响
3.3 电池循环过程中LiCoO_2和MPCF结构变化
3.4 电池循环对安全性的影响
3.4.1 过充电实验
3.4.1.1 1C12V过充电实验
3.4.1.2 3C12V过充电实验
3.4.2 短路实验
3.4.2.1 不同循环的电池短路后温升速率分析
3.4.2.2 短路电池的热失控行为分析
3.4.3 其他安全实验
3.5 本章小结
第四章 高温搁置对电池性能和安全性的影响
4.1 前言
4.2 高温搁置不同时间后电池的性能衰退研究
4.2.1 高温搁置24h后电池的性能衰退研究
4.2.2 高温搁置4h后电池性能研究
4.3 电池在60℃下不同SOC不同时间搁置后的性能
4.4 不同温度下搁置4h后安全性能研究
4.4.1 短路实验
4.4.2 过充电实验
4.5 本章小结
第五章 正极材料对电池安全性的影响
5.1 LiCoO_2正极
5.1.1 LiCoO_2的制备与电池性能
5.1.2 LiCoO_2正极电池的安全性研究
5.2 包埋LiNiO_2正极
5.2.1 包埋LiNiO_2的制备与电池性能
5.2.2 包埋LiNiO_2正极电池安全性研究
5.3 尖晶石LiMn2O_4正极
5.3.1 尖晶石LiMn2O_4的制备与电池性能
5.3.2 LiMn_2O_4正极电池的安全性研究
5.4 复合材料正极
5.4.1 复合材料制备与电池性能
5.4.2 复合材料电池在不同预置温度下的耐热安全性研究
5.4.3 过充安全性实验
5.5 四种不同正极材料安全性比较
5.5.1 耐热安全性
5.5.2 过充安全性
5.6 本章小结
第六章 正极辊压率对电池性能和安全性的影响
6.1 正极辊压率的变化对电池性能的影响
6.1.1 正极辊压率的变化对容量的影响
6.1.2 正极辊压率的变化对放电性能的影响
6.1.3 正极辊压率的变化对循环的影响
6.2 正极辊压率的变化对电池安全性的影响
6.3 本章小结
第七章 隔膜对电池安全性的影响
7.1 不同制造商的隔膜的比较研究
7.1.1 不同制造商生产的隔膜性质比较
7.1.2 不同隔膜的热闭合性质比较
7.1.3 不同隔膜锂离子电池的安全性比较
7.2 4.5Ah电池设计与制作
7.2.1 电池性能
7.2.2 电池安全实验
7.3 本章小结
第八章 电池放电热计算初探
8.1 4.5Ah电池不同倍率放电的温度分布
8.2 放电时电池各部分温升计算
8.3 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间所发表的文章
致谢
个人简历
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学位论文使用授权声明
发布时间: 2006-02-08
参考文献
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