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電池爆炸是新能源汽車的第一“殺手”嗎？

安東帕 2021-01-29 | 閱讀：1712

1月19日晚間，一輛新能源汽車在上海某小區(qū)地下車庫自燃并爆炸。從網(wǎng)絡(luò)上流傳的事故現(xiàn)場照片和視頻可以看出，車輛已面目全非，只剩車架，車前蓋大開。

來源網(wǎng)絡(luò)

自打新能源車問世以來，“充電”與“安全”這兩大話題便一直形影不離、不離不棄的陪伴著它，但充電鋰離子電池電子設(shè)備頻繁發(fā)生事故，一度讓人“談電池色變”，因此，為了生產(chǎn)出安全、持久的電池，對(duì)電池材料及添加劑顆粒的表征對(duì)于質(zhì)量控制和制造工藝的優(yōu)化都非常重要。

最常見的可充電電池是鋰離子電池。鋰離子電池的主要組成部分是陰極(正極)、陽極(負(fù)極)和電解質(zhì)。大多數(shù)鋰離子電池有一個(gè)正極(陰極)，由鍍在鋁箔上的金屬鋰氧化物制成；一個(gè)負(fù)極(陽極)，由鍍在銅箔上的碳(例如石墨)組成(圖1)。目前有多同類型的鋰離子電池。電池材料的選擇決定了電池的性能和獨(dú)特性。

圖1：鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

粒度的作用和粒度分布

電池材料的粒度和粒度分布會(huì)影響鋰離子的擴(kuò)散，從而改變所生產(chǎn)電池的功率密度(釋放電流、負(fù)載能力)和能量密度(儲(chǔ)能、電池容量)。表1給出了與粒度有關(guān)的主要差異

表1：與粒徑有關(guān)的主要差異

大顆粒和小顆粒混合的寬PSD具有較高的填充密度(圖2)，并可生產(chǎn)高負(fù)載的電池材料(厚電極)，這有助于提高能量密度(存儲(chǔ)能量)。

圖2：小顆粒和大顆粒的雙峰顆?；旌衔锏亩逊e密度

Zeta電位研究與添加劑的相互作用

鋰氧化物正極材料的主要缺點(diǎn)是導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性差。碳基產(chǎn)品，如炭黑和石墨，有助于提高導(dǎo)電性，但不涉及鋰離子電池的電化學(xué)氧化還原過程。碳基產(chǎn)品通過填充活性物質(zhì)顆粒之間的自由空間，提高正極材料的可循環(huán)性。通過這種作用，提高電極的導(dǎo)電性。

所述碳添加劑應(yīng)與正極材料形成均勻的混合物，以獲得穩(wěn)定的電極漿液和在箔片上均勻的涂層。因此，通過測量zeta電位，應(yīng)最大限度地提高不同類型顆粒材料之間的靜電相互作用。為了促進(jìn)相互作用，粒子最好具有相反的表面電荷。

實(shí)驗(yàn)法方案

激光衍射法進(jìn)行粒度分析

采用基于激光衍射法的安東帕粒度分析儀(PSA)進(jìn)行測量，測試的電極材料見表2。

PSA

表2：分析所選用的正極和負(fù)極材料

電泳光散射法測量Zeta電位

pH值對(duì)zeta電位有重要影響，因?yàn)樗淖兞吮砻婧图{米顆粒懸浮液的電荷。研究了不同pH值下zeta電位的變化，以確定電極材料與碳導(dǎo)電添加劑之間可能的相互作用。

對(duì)綠色能源的需求要求電池生產(chǎn)所用的材料和溶劑要更加環(huán)保。用水替代電池漿料中的有機(jī)溶劑是實(shí)現(xiàn)高能量可持續(xù)性的第一步。

用水代替有機(jī)溶劑(如n -甲基-2-吡咯烷酮，NMP)制備了三種懸浮液：

? 0.05 % 炭黑

? 0.05 % 石墨

? 0.1 % 鈷酸鋰

zeta電位的測量是通過電泳光散射(ELS)在Litesizer 500使用自動(dòng)pH滴定裝置附件進(jìn)行的。

Litesizer 500

結(jié)論與討論

電極材料的粒度和粒度分布

LCO的粒度最大，跨度最大，而NCM和NCA的平均粒度較小，分布較窄(圖3)

圖3：三種不同正極材料的粒徑分布

通過減小粒度和寬度，電池存儲(chǔ)能量的能力降低。這是因?yàn)檩^小的顆粒增加了團(tuán)聚的趨勢，減少了空隙。因此，電解質(zhì)的體積和電池的容量也會(huì)降低。然而，小顆粒給予的大表面積減少了電極內(nèi)的擴(kuò)散距離，有助于促進(jìn)電極與電解質(zhì)之間的離子交換。實(shí)際上，NMC和NCA樣品是低容量、高能量密度和快速充電的正極材料。

至于負(fù)極材料的結(jié)果，從圖4中可以看出，天然石墨和合成石墨的粒度分布具有可比性。

圖4：天然石墨和合成石墨的粒度分布

在PSA中還測量了細(xì)粒度(表3)。這一信息有助于在生產(chǎn)階段評(píng)估成品電池的性能和穩(wěn)定性。事實(shí)上，在多分散電極粉末中，小顆粒百分比越高，即細(xì)粒度越高，填料越致密。因此，在充放電循環(huán)過程中，由于鋰離子的插入而引起的體積變化，大顆粒之間的空隙較少，同時(shí)較大的表面積有利于電極與電解質(zhì)的接觸。