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來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2020-01-08 16:52
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.1 外部管理
1）PTC（正溫度系數(shù)）元件：在鋰離子電池中安裝PTC元件，其綜合考慮了電池內(nèi)部的壓力和溫度，當(dāng)電池因過充而升溫時(shí)，電池內(nèi)阻迅速提高從而限制電流，使正負(fù)極之間的電壓降為安全電壓，實(shí)現(xiàn)對電池的自動保護(hù)功能。
2）防爆閥：當(dāng)電池由于異常導(dǎo)致內(nèi)壓過大時(shí)，防爆閥變形，將置于電池內(nèi)部用于連接的引線切斷，停止充電。
3）電子線路：2~4節(jié)的電池組可以預(yù)埋電子線路設(shè)計(jì)鋰離子保護(hù)器，避免過充及過放電，從而避免安全事故發(fā)生，延長電池壽命。
當(dāng)然這些外部控制方法都有一定效果，但這些附加裝置增加了電池的復(fù)雜性和生產(chǎn)成本，也不能徹底解決電池安全性問題。因此，有必要建立一種內(nèi)在的安全保護(hù)機(jī)制。
2.2 改進(jìn)電解液體系
電解液作為鋰離子電池的血液，電解液的性質(zhì)直接決定了電池的性能，對電池的容量、工作溫度范圍、循環(huán)性能及安全性能都有重要的作用。
目前商用鋰離子電池電解液體系，其應(yīng)用最廣泛的組成是LiPF6、碳酸乙烯酯和線性碳酸酯。前面兩個(gè)是不可或缺的成分，它們的使用也產(chǎn)生了電池性能方面某些局限，同時(shí)電解液中使用了大量低沸點(diǎn)、低閃點(diǎn)的碳酸酯類溶劑，在較低的溫度下即會閃燃，存在很大的安全隱患。
因此，許多研究者嘗試改進(jìn)電解液體系以提高電解液的安全性能。在電池的主體材料（包括電極材料、隔膜材料和電解質(zhì)材料）在短時(shí)間內(nèi)不發(fā)生顛覆性改變的情況下，提高電解液的穩(wěn)定性是增強(qiáng)鋰離子電池安全性的一條重要途徑。
2.2.1 功能添加劑
功能添加劑具有用量少、針對性強(qiáng)的特點(diǎn)。即在不增加或基本不增加電池成本、不改變生產(chǎn)工藝的情況下能顯著改善電池的某些宏觀性能。
因此，功能添加劑成為當(dāng)今鋰離子電池領(lǐng)域一個(gè)研究熱點(diǎn)，是解決目前鋰離子電池電解液易燃問題最有希望的途徑之一。
添加劑的基本作用就是阻止電池溫度過高和將電池電壓限定在可控范圍內(nèi)。因此，添加劑的設(shè)計(jì)也是從溫度和充電電位發(fā)揮作用的角度進(jìn)行考慮的。
1）阻燃添加劑：阻燃添加劑又可以根據(jù)阻燃元素的不同分為有機(jī)磷系阻燃添加劑、含氮化合物阻燃添加劑、鹵代碳酸酯類阻燃添加劑、硅系阻燃添加劑以及復(fù)合阻燃添加劑5個(gè)主要類別。
2）過充添加劑：在鋰離子電池過度充電時(shí)，會發(fā)生一系列的反應(yīng)。電解液組分在正極表面發(fā)生不可逆的氧化分解反應(yīng)，產(chǎn)生氣體并釋放大量熱量，從而導(dǎo)致電池內(nèi)壓增加和溫度升高，給電池的安全性帶來嚴(yán)重影響。從作用機(jī)理上，過充保護(hù)添加劑主要分為氧化還原穿梭電對型和電聚合型兩種。從添加劑類型上又可分為鋰的鹵化物、金屬茂化合物。
2.2.2 離子液體
離子液體電解質(zhì)完全是由陰陽離子組成。由于陰離子或者陽離子體積較大陰陽離子之間的相互作用力較弱，電子分布不均勻，陰陽離子在室溫下能夠自由移動，呈液體狀態(tài)。大體上可以分為咪唑類、吡唑與吡啶類、季銨鹽類等。
相比于鋰離子電池普通有機(jī)溶劑，離子液體主要具有5個(gè)優(yōu)勢：① 熱穩(wěn)定性高，200℃可以不分解；② 蒸氣壓幾乎為0，不必?fù)?dān)心電池會出現(xiàn)氣脹；③ 離子液體不易燃，無腐蝕性；④ 具有較高的電導(dǎo)率；⑤ 化學(xué)或電化學(xué)穩(wěn)定性好。
目前唯一有待解決的問題就是離子在電解液體系中的傳導(dǎo)能力。
2.2.3 選擇熱穩(wěn)定性好的鋰鹽
六氟磷酸鋰是目前商品鋰離子電池中廣泛使用的電解質(zhì)鋰鹽。雖然它單一的性質(zhì)并不是最優(yōu)的，但是其綜合性能是最有優(yōu)勢的。但是LiPF6也有其缺點(diǎn)，例如，LiPF6是化學(xué)和熱力學(xué)不穩(wěn)定的，會發(fā)生如下反應(yīng)：
該反應(yīng)生成的PF5很容易進(jìn)攻有機(jī)溶劑中氧原子上的孤對電子，導(dǎo)致溶劑的開環(huán)聚合和醚鍵裂解，這種反應(yīng)在高溫下分解尤其嚴(yán)重。
目前關(guān)于高溫電解質(zhì)鹽的研究多集中在有機(jī)鋰鹽領(lǐng)域。代表性物質(zhì)主要有硼基鋰鹽、亞胺基鋰鹽。
2.2.4 聚合物電解質(zhì)
許多商品鋰離子電池使用易燃易揮發(fā)的碳酸酯溶劑，若出現(xiàn)漏液很可能引起火災(zāi)。大容量、高能量密度的動力型鋰離子電池尤為如此。
而使用不可燃的聚合物電解質(zhì)代替易燃的有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)，能夠明顯提高鋰離子電池的安全性。聚合物電解質(zhì)，尤其是凝膠型聚合物電解質(zhì)的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。
目前已經(jīng)成功用于商品化鋰離子電池中，按照聚合物主體分類，凝膠聚合物電解質(zhì)主要有以下3類：PAN基聚合物電解質(zhì)，PMMA聚合物電解質(zhì)，PVDF基聚合物電解質(zhì)。但是凝膠型聚合物電解質(zhì)其實(shí)是干態(tài)聚合物電解質(zhì)和液態(tài)電解質(zhì)妥協(xié)的結(jié)果，凝膠型聚合物電池仍然有許多工作要做。
2.3 正極材料
可以確定正極材料在充電狀態(tài)電壓高于4V時(shí)不穩(wěn)定，易于在高溫下發(fā)生熱分解放出氧氣，氧氣與有機(jī)溶劑繼續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱及其他氣體，降低電池的安全性。因此，正極與電解液反應(yīng)被認(rèn)為是熱失控主要原因。
對于正極材料，提高其安全性的常見方法為包覆修飾。如用MgO、A12O3、SiO2、TiO2、ZnO、SnO2、ZrO2等物質(zhì)對正極材料進(jìn)行表面包覆，可以降低脫 Li+后正極與電解液的反應(yīng)，同時(shí)減少正極的釋氧，抑制正極物質(zhì)發(fā)生相變，提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，降低晶格中陽離子的無序性，從而降低循環(huán)過程中的副反應(yīng)產(chǎn)熱。
2.4 碳材料
目前對安全性要求更高的動力電池中通常使用具有較低的比表面積，較高的充放電平臺，充電態(tài)活性較小，熱穩(wěn)定性相對較好安全性高的球形碳材料，如中間相碳微球（MCMB，或者尖晶石結(jié)構(gòu)的Li9Ti5O12，其較層狀石墨的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好。
目前提高碳材料性能的方法主要包括表面處理（表面氧化、表面鹵化、碳包覆、包覆金屬及金屬氧化物、聚合物包覆）或者引入金屬或者非金屬進(jìn)行摻雜。
2.5 隔膜
目前在商業(yè)鋰離子電池中應(yīng)用最廣泛的隔膜依然是聚烯烴材料，其主要缺點(diǎn)就是高溫下熱縮以及電解液浸潤性差。為了克服這些缺陷，研究人員嘗試了很多辦法，如尋找熱穩(wěn)定性材料代替，或者添加少量Al2O3或 SiO2納米粉的隔膜，其不但具有普通隔膜的作用外，還具有提高正極材料的熱穩(wěn)定性的作用。
