【文獻研讀】探索鋰離子電池?zé)崾Э靥匦耘c氣體組成：以不同正極材料為例

鋰離子電池在電動汽車、儲能電站等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。近年來，鋰電池的安全性問題受到關(guān)注。在高溫、過充等條件下，鋰離子電池存在發(fā)生熱失控風(fēng)險，引發(fā)自燃火宅事故。

因此，深入研究鋰離子電池的熱失控特性及其產(chǎn)氣行為，對于提升電池安全性能具有重要意義。

我們選取了《Thermal Runaway Characteristics and Gas Composition Analysis of Lithium-Ion Batteries with Different LFP and NCM Cathode Materials under Inert Atmosphere》文獻進行研讀。

文章中以“磷酸鐵鋰（LFP）"和“鎳鈷錳（NCM）"兩種主流正極材料的鋰離子電池為例，探討其在惰性氣氛條件下的熱失控過程及氣體成分。

在惰性氣氛（如氮氣或氬氣）中，對電池進行加熱處理，模擬其在實際使用中可能遇到的熱失控情況。通過高精度的溫度控制和氣體分析設(shè)備，實時記錄電池的溫度變化、壓力變化以及產(chǎn)生的氣體成分。

TR現(xiàn)象 

【NCM電池】

在加熱初期，電池內(nèi)部溫度逐漸升高，尚未達到熱失控的臨界點。此時，電池可能僅表現(xiàn)出輕微的熱量釋放和氣體產(chǎn)生，這些變化尚不足以對電池造成實質(zhì)性損害。

隨著電池內(nèi)部溫度逐漸升高，發(fā)生了更多其他反應(yīng)，產(chǎn)生氣體逐漸增多，壓力逐漸升高，在排氣閥打開的那一刻，發(fā)生“TR現(xiàn)象"，隨之而來的是嚴(yán)重的氣體產(chǎn)生。

【LFP電池】 

在加熱初期，電池內(nèi)部溫度逐漸升高，同樣僅僅表現(xiàn)出輕微的熱量釋放和氣體產(chǎn)生。隨著時間進行，電池沒有表現(xiàn)出“TR現(xiàn)象"，但由于內(nèi)部壓力過大，排氣閥打開釋放氣體，在 TR 之后經(jīng)歷了兩個劇烈的產(chǎn)氣階段，第一個產(chǎn)氣階段比第二個產(chǎn)氣更強烈。

不同溫度下的【產(chǎn)氣過程】

70-90℃

SEI膜的亞穩(wěn)態(tài)成分發(fā)生放熱分解導(dǎo)致電池內(nèi)大部分氣體積聚，主要是二氧化碳、甲烷和氧氣。隨著溫度的升高，嵌入鋰進一步與有機溶劑和電解質(zhì)反應(yīng)，導(dǎo)致乙烯、丙烯和乙烷的釋放。

90-260℃

同時發(fā)生三種化學(xué)反應(yīng)，包括SEI熔化、電極內(nèi)部短路、不同陰極材料分解以及與電解質(zhì)反應(yīng)釋放氣體，釋放主要包括氧氣、二氧化碳和一氧化碳。

200-300℃

電解質(zhì)LiPF6會自動分解要分解產(chǎn)物為氟乙烷、二氧化碳、氫氟酸和乙烯。高于260°C，粘結(jié)劑PVDF進一步與插層鋰反應(yīng)，直接生成氫氣。這種化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在 NCM 和 LFP 電池的 TR 過程中。

（不同電池類型的產(chǎn)氣成分）

LFP電池在TR階段生成的氣體含有較多的H2，因此更加容易達到可燃條件，根據(jù)產(chǎn)氣結(jié)果，LFP電池具與NCM電池相比，具有更大的風(fēng)險。

【文獻研讀】

本文通過對LFP和NCM兩種正極材料的鋰離子電池在惰性氣氛條件下的熱失控過程及氣體成分進行對比分析，揭示了其熱失控特性的異同。

研究表明，在正常使用情況下，LFP電池在安全性方面表現(xiàn)更優(yōu)，而NCM電池則需要更嚴(yán)格的安全措施來確保其在使用過程中的安全性。但在發(fā)生大規(guī)模的熱失控情況下，慮到產(chǎn)氣成分，LFP電池可能更危險。

未來，隨著鋰離子電池技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員應(yīng)繼續(xù)深入探索鋰離子電池?zé)崾Э貦C理和防控技術(shù)。通過優(yōu)化電池材料、改進電池結(jié)構(gòu)設(shè)計、加強電池管理系統(tǒng)（BMS）的監(jiān)控和預(yù)警功能等手段，不斷提高鋰離子電池安全性能，為電動汽車、儲能電站等領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展提供有力保障。