锂电池回收解读

锂离子电池因为具备高能量密度、高功率密度和长使用寿命的特点，被广泛使用。随着世界各国企业加速布局锂电行业，锂电池的安全性越来越受到大家的关注。我觉得，目前电动汽车在市场上的占有率并不高的原因一是对电动车的安全性存在顾虑，二是对电动车的续航里程存在质疑。

续航里程涉及到的是锂电池的循环寿命、电化学性能，而电动车的安全性涉及到的则是生命。在日常新闻中，常常看到电动车着火、锂电池厂房爆炸、手机着火爆炸等等事件，无不触目惊心。在看到由锂电池引起的安全事故的同时，我们需要反思到底什么因素和环节影响了锂电池的安全性？主要因素和环节有电池材料、电芯制造过程、BMS、安全设计以及电池的使用工况。

一、电池材料

锂电池回收的主要材料有正负极活物质、电解液、隔膜四种材料，影响材料的安全性的因素主要是其本征轨道能量、晶体结构和材料的性状。

1.正极材料

正极活性材料在电池中的主要作用是贡献比容量和比能量，其本征电极电势对安全性有一定的影响。在多种体系中，磷酸铁锂算是比较安全的电池材料，而三元正极材料虽然在能量密度上表现优异，但是安全性上仍存在问题。

经过正极材料的热行为进行研究，发现本征电极电势和晶体结构是影响其安全性的主要因素。例如正极材料的电位μC和电解液的最高分子占据轨道HOMO是否完美匹配直接影响了电解液的稳定性；

通过对材料种类进行选择和元素掺杂，选择电位和电解液电化学窗口匹配的、起始反应温度较高的、反应放热较少的材料可以从正极活性材料的角度提高电芯的安全性能。

2.负极材料

负极活性材料对安全性能的影响主要来自于其本征轨道能量和电解质LUMO的配置关系。在快充的过程中，锂离子通过SEI（固态电解质界面）膜的速度可能比锂在负极的沉积速度慢，锂的枝晶会随着充放电循环而不断生长，可能导致内短路而引燃可燃性的电解质发生热失控，这一特性限制了负极在快充过程中的安全性。

除了锂枝晶的生长，负极材料和电解液的反应也是影响安全性能的重要因素。在100℃附近，可以观察到嵌锂石墨和电解液的放热峰，这也被认为是SEI膜的分解反应。反应速率随着负极材料比表面积增大而增加。在SEI膜分解之后，嵌入负极的锂还会继续和电解液以及黏结剂反应放出热量，反应热随着嵌锂量的增加而增大。采用改善SEI的热稳定性，以及减小负极材料的比表面积、减少锂的嵌入量等方法，也可以从负极材料的角度提高电芯的性能。

钛酸锂电池具有很好的快充快放能力，与碳负极材料相比，钛酸锂材料由于高电位而难以形成SEI膜，避免了电池过热导致起火。即使在正常电压范围内，钛酸锂表面也难以生成锂枝晶，这在很大程度上避免了在电池内部造成短路的可能。但是目前钛酸锂电池目前仍存在比能量低、产气问题严重等问题，限制了其大范围使用。

3.电解液

锂盐的热稳定性虽然是影响电解液热稳定性的根本因素，但因为其本身的分解反应热较小，对电池安全性能的影响有限。目前广泛使用的商用电解质的可燃性和液体状态是影响安全性的重要因素。另一方面解决负极与碳酸盐电解质接触及正极与水性电解液接触时产生的热稳定性问题。在电解液中添加阻燃添加剂、成膜添加剂等可以有效提高锂电池的安全性。

4.隔膜

隔膜的机械强度（抗拉伸和穿刺强度）、孔隙率、厚度均一性和遮断/破裂温度是决定其安全性的重要因素。陶瓷涂层在隔膜中的应用可以增加原膜的机械强度，使隔膜在耐高温、防穿刺、降低厚度方面表现出优异性能。同时，为保证电芯的安全性，一般隔膜孔隙率应低于50%，厚度在20μm以上。微孔结构关闭的温度过高或过低都会影响电芯的性能，因此需要综合考虑隔膜聚合物的组成成分和多孔结构的最优化配置，同时应满足破裂温度需高于遮断温度。

二、电池制造环节

锂离子电池的制造工艺包括正负极浆料制备、涂布、辊压、裁片、卷绕或叠层、焊接、注液、封口、化成、排气、分容等步骤。其中每一道工序都有可能导致电池内阻升高或短路而形成安全性问题。例如浆料搅拌不均匀会导致涂布涂层厚度不一致影响电池安全性；涂布双侧留白不一致可能导致卷绕后负极无法包住正极引起短路；料尘、隔膜纸太小或未垫好、隔膜有洞、毛刺未清理干净等均会形成安全隐患。

三、锂电池的滥用

锂电池的滥用是引发安全事故的重要原因，常见错误使用方式包括：过充过放、高温低温、碰撞挤压坠落等等。例如，过充会造成正极活性材料晶体塌陷，锂离子脱嵌通道受阻，使内阻急剧升高，产生大量焦耳热，同时使负极活性材料嵌锂能力降低而产生锂枝晶造成短路。环境温度过热会导致锂离子电池内部一系列链式化学反应，包括隔膜的熔解、正/负极活性材料与电解质的反应、正极/SEI膜/溶剂分解、嵌锂负极与黏结剂的反应等。针刺/挤压都是在局部造成内短路，在短路区聚集大量热而造成热。

以上是造成锂电池失效、起火甚至爆炸的主要原因，未能一一列举。我们需要对锂电池的安全设计进行深度研究分析、需要对电池管理系统（BMS）不断进行优化才能逐渐降低锂电池的安全事故概率。

电池管理系统（BatteryManagementSystem）是用来管理电池及其一致性的，使其在不同条件下（温度、海拔高度、最大倍率、电荷状态、循环寿命等）获得最大的能量储存、往返效率和安全性。其主要由数据采集器，通讯单元和电池状态（SOC、SOH、SOP等）评估模型等部分组成。随着动力电池的发展，对BMS的管理能力要求也更多更严苛。通过增加一些安全性模块，比如热量管理、高压监控等模块，可望改善动力电池在使用过程中的安全可靠性。

锂离子电池安全事故的核心原因是电池内部热量集聚无处释放，最终导致热失控。保证电池的安全性就是控制电池内部的热量，BMS可以有效的监控电池使用情况，同时通过有效的安全设计来促进电池热量的释放，例如可以使用冷却喷淋系统、安全阀门等内部设施消耗高热量以消减热失控的产生。锂离子电池的安全性问题是一个恒久的问题，即使是万分之一的概率，对不幸者来说也是百分百的伤害，需要不断地创新，解决高能量和安全性之间的矛盾。