鋰電池：鋰電池電解液基本上是有機(jī)碳酸酯類物質(zhì)，是一類易燃物
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-31 14:53
點擊量：次
負(fù)極材料
負(fù)極材料的熱穩(wěn)定性與負(fù)極材料的種類、材料顆粒的大小以及負(fù)極所形成的SEI膜的穩(wěn)定性有關(guān)。如將大小顆粒按一定配比制成負(fù)極即可達(dá)到擴(kuò)大顆粒之間接觸面積,降低電極阻抗,增加電極容量,減小活性金屬鋰析出可能性的目的。SEI膜形成的質(zhì)量直接影響鋰離子電池的充放電性能與安全性,將碳材料表面弱氧化,或經(jīng)還原、摻雜、表面改性的碳材料以及使用球形或纖維狀的碳材料有助于SEI膜質(zhì)量的提高。解決碳負(fù)極材料安全性的方法主要有降低負(fù)極材料的比表面積、提高SEI膜的熱穩(wěn)定性。
隔膜
Prof.ZhenanBao和YiCui強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合[4]，報道了一種可有效防止鋰電池過熱起火的新技術(shù)，他們想在情況不可收拾之前關(guān)閉電池，通過在鋰電池中增加一個熱敏高分子聚合物薄膜“開關(guān)”材料，當(dāng)電池溫度過高就會迅速切斷電池內(nèi)電路，使之降溫；當(dāng)溫度降至正常，該聚合物薄膜又能恢復(fù)正常狀態(tài)，讓電池重新工作（圖2）。他們將具有石墨烯涂層的鎳鈉米粒子嵌入聚乙烯材料中，制備出一種輕薄又具有柔性的導(dǎo)電塑料薄，用這種聚合物膜組裝成的鋰電池，在正常的工作溫度下，電流很容易通過薄膜，電池可以正常充電和放電，但是當(dāng)電池的溫度升高到70℃時，聚乙烯開始膨脹，推動鎳納米粒子彼此分開，這樣隔膜的導(dǎo)電性在短短的1s之內(nèi)就會降低1000億倍，電池中的電荷移動停止，從而使電池的溫度下降。而且，當(dāng)溫度低于這種聚合物70℃時，該聚合物可以很容易的恢復(fù)到原來的構(gòu)型，導(dǎo)電性也恢復(fù)正常，恢復(fù)電池功能。
鋰電池電解液基本上是有機(jī)碳酸酯類物質(zhì)，是一類易燃物。常用電解質(zhì)鹽六氟磷酸鋰（LiPF6）存在熱分解放熱反應(yīng)。因此提高電解液的安全性對動力鋰離子電池的安全性控制至關(guān)重要。LiPF6的熱穩(wěn)定性是影響電解液熱穩(wěn)定的主要因素，因此目前主要改善方法是采用熱穩(wěn)定性更好的鋰鹽。但由于電解液本身分解的反應(yīng)熱十分小，對電池安全性能影響十分有限。對電池安全性影響更大的是其易燃性。降低電解液可燃性的途徑主要是采用阻燃添加劑，但是這些阻燃劑往往會對鋰電池的電化學(xué)性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此難以在實際中應(yīng)用。HongfaXiang等人[6]采用磷酸三甲酯（TMP）為溶劑，雙氟磺酰亞胺鋰為溶質(zhì)，研發(fā)出一種新型高濃度不燃電解液。在高濃度（5mol/L）下，電解液中大部分TMP溶劑分子和Li+配位，形成特殊的溶劑化結(jié)構(gòu)，這使得溶劑分子與負(fù)極之間的副反應(yīng)減少，大大提高了電池的安全性。美國加州大學(xué)圣迭戈分校的YuQiao團(tuán)隊[7]采用膠囊封裝的方式將阻燃劑二芐胺（DBA）儲存在微型膠囊里，分散在電解液中，正常狀態(tài)下不會對鋰電池的性能產(chǎn)生影響，當(dāng)電池受到擠壓等外力破壞時，膠囊中的阻燃劑就會被釋放出來，“毒化”電池使電池失效，從而避免熱失控的發(fā)生。之后，他們團(tuán)隊又采用同樣的技術(shù)，將乙二醇和乙二胺作為阻燃劑，封裝后裝入鋰電池，能夠顯著降低鋰電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險[8]。Prof.AtsuoYamada等人[9]采用高濃度NaN(SO2F)2或者LiN(SO2F)2作為鋰鹽，添加常見的阻燃劑磷酸三甲酯TMP，制備的電解液能夠顯著提高鋰電池的熱穩(wěn)定性，而且阻燃劑的添加并沒有對鋰電池的循環(huán)性能產(chǎn)生影響。針對動力電池在使用中可能面臨沖擊的情況，GabrielM.Veith等人[10]試圖在根源上避免外力導(dǎo)致的鋰電池內(nèi)短路發(fā)生，設(shè)計了一種具有剪切增稠特性的電解液（圖3），該電解液利用非牛頓流體的特性，在正常狀態(tài)下，電解液呈現(xiàn)液體狀態(tài)，在遭遇突然的沖擊后則會呈現(xiàn)固體狀態(tài)，變得異常堅固，甚至能夠達(dá)到防彈的效果，從而從根源上避免了在動力電池發(fā)生碰撞時電池內(nèi)短路導(dǎo)致熱失控的風(fēng)險。
負(fù)極材料的熱穩(wěn)定性與負(fù)極材料的種類、材料顆粒的大小以及負(fù)極所形成的SEI膜的穩(wěn)定性有關(guān)。如將大小顆粒按一定配比制成負(fù)極即可達(dá)到擴(kuò)大顆粒之間接觸面積,降低電極阻抗,增加電極容量,減小活性金屬鋰析出可能性的目的。SEI膜形成的質(zhì)量直接影響鋰離子電池的充放電性能與安全性,將碳材料表面弱氧化,或經(jīng)還原、摻雜、表面改性的碳材料以及使用球形或纖維狀的碳材料有助于SEI膜質(zhì)量的提高。解決碳負(fù)極材料安全性的方法主要有降低負(fù)極材料的比表面積、提高SEI膜的熱穩(wěn)定性。
隔膜
Prof.ZhenanBao和YiCui強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合[4]，報道了一種可有效防止鋰電池過熱起火的新技術(shù)，他們想在情況不可收拾之前關(guān)閉電池，通過在鋰電池中增加一個熱敏高分子聚合物薄膜“開關(guān)”材料，當(dāng)電池溫度過高就會迅速切斷電池內(nèi)電路，使之降溫；當(dāng)溫度降至正常，該聚合物薄膜又能恢復(fù)正常狀態(tài)，讓電池重新工作（圖2）。他們將具有石墨烯涂層的鎳鈉米粒子嵌入聚乙烯材料中，制備出一種輕薄又具有柔性的導(dǎo)電塑料薄，用這種聚合物膜組裝成的鋰電池，在正常的工作溫度下，電流很容易通過薄膜，電池可以正常充電和放電，但是當(dāng)電池的溫度升高到70℃時，聚乙烯開始膨脹，推動鎳納米粒子彼此分開，這樣隔膜的導(dǎo)電性在短短的1s之內(nèi)就會降低1000億倍，電池中的電荷移動停止，從而使電池的溫度下降。而且，當(dāng)溫度低于這種聚合物70℃時，該聚合物可以很容易的恢復(fù)到原來的構(gòu)型，導(dǎo)電性也恢復(fù)正常，恢復(fù)電池功能。
鋰電池電解液基本上是有機(jī)碳酸酯類物質(zhì)，是一類易燃物。常用電解質(zhì)鹽六氟磷酸鋰（LiPF6）存在熱分解放熱反應(yīng)。因此提高電解液的安全性對動力鋰離子電池的安全性控制至關(guān)重要。LiPF6的熱穩(wěn)定性是影響電解液熱穩(wěn)定的主要因素，因此目前主要改善方法是采用熱穩(wěn)定性更好的鋰鹽。但由于電解液本身分解的反應(yīng)熱十分小，對電池安全性能影響十分有限。對電池安全性影響更大的是其易燃性。降低電解液可燃性的途徑主要是采用阻燃添加劑，但是這些阻燃劑往往會對鋰電池的電化學(xué)性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此難以在實際中應(yīng)用。HongfaXiang等人[6]采用磷酸三甲酯（TMP）為溶劑，雙氟磺酰亞胺鋰為溶質(zhì)，研發(fā)出一種新型高濃度不燃電解液。在高濃度（5mol/L）下，電解液中大部分TMP溶劑分子和Li+配位，形成特殊的溶劑化結(jié)構(gòu)，這使得溶劑分子與負(fù)極之間的副反應(yīng)減少，大大提高了電池的安全性。美國加州大學(xué)圣迭戈分校的YuQiao團(tuán)隊[7]采用膠囊封裝的方式將阻燃劑二芐胺（DBA）儲存在微型膠囊里，分散在電解液中，正常狀態(tài)下不會對鋰電池的性能產(chǎn)生影響，當(dāng)電池受到擠壓等外力破壞時，膠囊中的阻燃劑就會被釋放出來，“毒化”電池使電池失效，從而避免熱失控的發(fā)生。之后，他們團(tuán)隊又采用同樣的技術(shù)，將乙二醇和乙二胺作為阻燃劑，封裝后裝入鋰電池，能夠顯著降低鋰電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險[8]。Prof.AtsuoYamada等人[9]采用高濃度NaN(SO2F)2或者LiN(SO2F)2作為鋰鹽，添加常見的阻燃劑磷酸三甲酯TMP，制備的電解液能夠顯著提高鋰電池的熱穩(wěn)定性，而且阻燃劑的添加并沒有對鋰電池的循環(huán)性能產(chǎn)生影響。針對動力電池在使用中可能面臨沖擊的情況，GabrielM.Veith等人[10]試圖在根源上避免外力導(dǎo)致的鋰電池內(nèi)短路發(fā)生，設(shè)計了一種具有剪切增稠特性的電解液（圖3），該電解液利用非牛頓流體的特性，在正常狀態(tài)下，電解液呈現(xiàn)液體狀態(tài)，在遭遇突然的沖擊后則會呈現(xiàn)固體狀態(tài)，變得異常堅固，甚至能夠達(dá)到防彈的效果，從而從根源上避免了在動力電池發(fā)生碰撞時電池內(nèi)短路導(dǎo)致熱失控的風(fēng)險。
