锂电科普丨锂电池安全大比拼：固态电池PK钛酸锂电池

摘要

锂离子电池应用广泛，但也存在安全风险，起火爆炸事件时有发生。锂离子电池在安全方面面临挑战，其根源在于锂离子电池自身是一种储能装置。当内部存储的能量突然释放时，会产生巨大的热量。而且，由于锂离子电池需要在高电压下运行，这使得它们无法使用无机材料，而必须依赖有机材料系统，这也是导致安全隐患的关键因素之一。

锂离子电池的安全问题可以归类为由外部和内部因素引起。内部问题通常与电池的设计、选材和制造过程有关，例如由于金属杂质或电极上的毛刺引起的隔膜穿孔，这可能导致正负极之间发生短路。而外部问题则涉及锂离子电池在遭受过充、短路、振动、挤压等外力作用后，可能引发内部材料的热失控，进而导致火灾或爆炸。为提升安全性，可提高电解液、电极材料安全性及改善保护设计。

● 固态电池

在电池技术的革新中，一个重大突破是采用固态电解质来替代传统锂离子电池中的液态电解液。这种新一代电池，被称为固态电池，其主要优势在于显著提升的安全性能。与传统锂离子电池相比，固态电池的正极材料对氧气的释放有更强的抵抗力，同时其负极可以使用金属锂，这降低了持续发生不良副反应的风险，减少了热失控的可能性，并提高了在高温环境下的稳定性。

固态电解质的引入，不仅因其绝缘性能有效地隔离了电池的正负极，防止了可能的短路，还因其能够承担隔膜的角色而增强了整体电池构造的安全性。固态电池技术的精髓在于电解质的创新，其终极目标是实现电解质的完全固态化。随着对电池能量密度的要求不断增加，解决技术难题也变得更加复杂。作为应对这一挑战的过渡技术，混合固液电池的出现，它结合了固态与液态电解质的优点，标志着从液态到半固态、再到准固态，最后实现全固态电池的技术逐步成熟。目前，我们已经看到了半固态电池逐步投入量产。

● 钛酸锂电池

在锂离子电池的电极材料研究领域，专家们发现，电池充电时正极释放的氧气本身并不足以导致电池过热和引燃。然而，当存在碳系负极材料时，情况就大不相同。这些碳材料会消耗正极产生的氧气，并在过程中产生大量热量，这可能最终造成电池热失控。碳系材料不仅自身具有易燃特性，而且在嵌入锂离子后形成的LiC6化合物性质接近于纯锂，这种物质在接触空气时能够自燃。因此，锂电池安全性的一个关键弱点在于其碳系负极材料的使用。

针对这一问题，钛酸锂电池因其独特的属性而受到科学界的广泛关注。钛酸锂作为负极材料，与传统的石墨材料不同，它拥有稳定的三维晶体结构，在锂离子的充放电循环中几乎不发生结构改变，因而被誉为“零应变材料”。与易形成热稳定性差的SEI膜（固态电解质界面膜）的石墨材料相比，钛酸锂材料几乎不生成SEI膜，有效减少了在高温下因SEI膜分解可能导致的热失控、起火或爆炸的风险。

钛酸锂的电位相对于锂金属更高，这有助于防止过充时枝晶的形成，从而提升了电池的安全性和稳定性。同时，由于它具有三维的锂离子传输通道，钛酸锂电池能够在极端温度下，从零下50摄氏度到60摄氏度，实现可靠的充放电性能。

● 半固态电池VS钛酸锂电池

为了评估半固态电池和钛酸锂电池在轨道交通领域的应用安全性，研究人员对其进行了严格的安全测试。测试项目包括针刺试验、极限过充试验、短路试验和极限加热试验，并根据测试结果对两种电池的安全性进行评估。

（1）两种电池的性能参数

半固态磷酸铁锂电池及钛酸锂电池性能参数

（2）半固态电池VS钛酸锂电池测试结果

①针刺实验

针刺实验结果

针刺试验结果显示，无论是半固态电池还是钛酸锂电池，都表现出良好的安全性。试验过程中，电池仅出现轻微压降和温升，没有发生其他明显现象。

②极限过充实验

极限过充实验结果

极限过充试验结果显示，钛酸锂电池在过充48分钟后起火，而半固态磷酸铁锂电池则在过充10分钟后鼓包并泄气，最终过充至19V。虽然两种电池都符合相关标准要求，但钛酸锂电池的耐受过充时间远超半固态磷酸铁锂电池。值得注意的是，钛酸锂电池在起火前温升变化率低于半固态磷酸铁锂电池，起火瞬间温度急剧升高。

③短路实验

短路实验结果

短路试验中，两种电池都表现出强大的短路电流，超过800A，最大温升也接近100K。半固态磷酸铁锂电池出现了明显鼓包现象，而钛酸锂电池则没有明显变化。

④极限加热实验

极限加热实验结果

综合测试结果表明，半固态磷酸铁锂电池和钛酸锂电池都具有较高的安全性。钛酸锂电池凭借其优异的过充能力和高倍率充放电性能，更适合作为轨道交通的首选动力电池。而半固态磷酸铁锂电池，虽然在功率性能和寿命方面略逊于钛酸锂电池，但在某些特定场景，如辅助系统、备用电源和功率要求较低的调车动力电池等方面，也具有良好的应用前景。

电池安全事关重大，是一个综合性问题，需要从技术、政策、产业、市场等多方面进行完善。提升锂电安全需要长期的努力，未来任重道远。

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