安全性是制約高比能、大容量鋰離子電池規(guī)模應用的重要技術問題，熱失控是導致電池發(fā)生爆炸、燃燒等不安全行為的根本原因。從電化學角度來看，在鋰離子電池內部建立一種自激發(fā)熱保護機制，切斷危險溫度下電池內部的離子或電子傳輸，關閉電池反應，是解決這一問題的有效途徑?；谶@一考慮，近年來人們提出了一系列新型熱失控防范技術，包括正溫度系數(shù)電極(即PTC電極)、熱敏性微球修飾隔膜(或電極)、熱聚合添加劑等。本文在簡要介紹這些安全性技術的實現(xiàn)方式和工作原理之后，重點介紹了這一領域的最新研究進展。在此基礎上，從實際應用需求出發(fā)，對其存在的問題及發(fā)展趨勢進行了探討。

重點內容導讀

電極反應必須涉及電子傳輸和離子傳輸。如果在電池內部存在一種溫度感應機制，當電池溫度過高時，這種機制能夠及時響應并有效切斷電子或離子傳輸，那么電池反應就會被關閉，從而避免電池大幅度升溫，阻止其進入自加溫的熱失控狀態(tài)。基于這一思路，近年來國內外研究者相繼提出了正溫度系數(shù)電極、熱響應微球修飾隔膜、熱聚合添加劑等熱失控防范新技術。根據(jù)它們作用原理的不同，這些技術大致可歸納為兩類：離子傳輸熱切斷和電子傳輸熱切斷。本文將簡要介紹這一方向的主要研究進展，以便為高安全性動力電池開發(fā)提供借鑒和參考。

1 離子傳輸熱切斷技術

1.1 熱熔化封閉

1.2 熱聚合封閉

2 電子傳輸熱切斷技術

圖3 溫度敏感電極的構造方式及工作原理示意圖：(a)PTC材料作為電極集流體的表面涂層;(b)PTC材料作為電極活性層的導電劑;(c)PTC材料為電極活性顆粒的表面包覆層

結論

安全性是制約鋰離子電池在動力與儲能領域應用的重要技術問題。建立電池熱失控防范新機制與新技術，提高電池的本征安全性，對于鋰離子電池的規(guī)模化應用至關重要。從目前研究進展來看，利用材料的熱相變行為實現(xiàn)離子傳輸?shù)臒崆袛嘁约袄肞TC材料的正溫度系數(shù)效應實現(xiàn)電子傳輸熱切斷，是兩類值得期待的自激發(fā)熱保護技術。在幾種離子傳輸熱切斷技術中，利用表面修飾可熔性微球發(fā)展的熱關閉隔膜具有化學穩(wěn)定性高、與實際體系的電化學兼容性好以及使用方便等特點，更具應用發(fā)展前景。但受制于現(xiàn)有聚烯烴隔膜熱穩(wěn)定性的限制，微球修飾隔膜的過熱保護功效并不能得到充分體現(xiàn)。將微球修飾技術與高熱穩(wěn)定性的隔膜(如聚酰亞胺PI膜)相結合，可能是一種更值得期待的熱保護方法;在幾種電子傳輸熱切斷技術中，基于PTC涂層的溫度敏感電極僅對過充和外部短路有效，而基于PTC表面包覆的溫度敏感電極材料則存在制備工藝復雜的問題。相比較而言，基于PTC導電劑的溫度敏感電極更具應用前景，因為它不僅對所有引發(fā)熱失控的濫用均有效，而且具有與現(xiàn)有電池生產(chǎn)工藝高度兼容的特點。在PTC材料的選擇方面，由于導電聚合物PTC材料具有可加工性高、分散性好，以及電化學活性等優(yōu)點，更具發(fā)展前景。