α-氧化鋁可以讓鋰離子電池更安全？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-08 08:58
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鋰離子電池的安全問(wèn)題是制約其發(fā)展的一大影響因素，去年已發(fā)生新能源汽車起火事件40余起。由于鋰離子電池內(nèi)部短路或充放電電流過(guò)大引起電池內(nèi)部溫度迅速升高是造成鋰離子電池爆炸燃燒的直接原因之一。電池管理系統(tǒng)（BMS）可以解決鋰離子電池的過(guò)充過(guò)放和充放電電流過(guò)大的問(wèn)題，使鋰離子電池在合理的電壓區(qū)間內(nèi)充放電，有效保證鋰離子電池的安全。相比之下內(nèi)部短路問(wèn)題的出現(xiàn)則更為普遍并且危險(xiǎn)更大。
內(nèi)部短路反應(yīng)過(guò)程示意圖
而造成鋰離子電池內(nèi)部短路的原因很多，例如：電池制造過(guò)程中，極片周圍的金屬毛刺或混入的金屬顆粒，在特定情況下會(huì)刺穿隔膜導(dǎo)致內(nèi)部短路；外力作用導(dǎo)致電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形進(jìn)而產(chǎn)生內(nèi)部短路。鋰離子電池內(nèi)部短路通常是局部短路，短時(shí)間內(nèi)熱量大量聚集不能得到有效疏散，造成局部過(guò)熱，進(jìn)而惡化成更嚴(yán)重的安全問(wèn)題。為了解決鋰離子電池內(nèi)部短路問(wèn)題，研究人員做了大量工作，其中一種方式是添加安全劑。
向正極添加α-氧化鋁，
負(fù)極添加Li4Ti5O12
α-氧化鋁具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫性、電絕緣性，同時(shí)還是熱的良導(dǎo)體。Li4Ti5O12結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電極電勢(shì)（1.5V，相對(duì)于 Li/Li+）高于金屬鋰，不易產(chǎn)生鋰枝晶。在鋰離子電池的正極添加α-氧化鋁，負(fù)極添加Li4Ti5O12，①可以提高極片的電阻，從而減小電池內(nèi)部短路瞬間的短路電流，達(dá)到減少發(fā)熱量的目的；②正負(fù)極安全添加劑也是熱的良導(dǎo)體，可以及時(shí)把內(nèi)部短路產(chǎn)生的熱量傳出去，達(dá)到降低電池升溫速率的目的。
正負(fù)極安全添加劑作用模型示意圖
安全性能測(cè)試結(jié)果表明，添加電極安全劑后電池可以輕松通過(guò)苛刻的穿刺測(cè)試和重物沖擊測(cè)試，在安全添加劑的高內(nèi)阻作用和良好的熱傳導(dǎo)性能協(xié)同作用下，測(cè)試電池的內(nèi)短路產(chǎn)熱能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榭煽氐碾姵氐捅堵史烹?，大幅提高鋰離子電池的安全性能。
電解液添加劑
除了向電極中加入添加劑外還可以向電解液中加入一些添加劑，改善電解液性能，加強(qiáng)電池的安全性。
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阻燃添加劑
鋰離子電池電解液阻燃添加劑的作用機(jī)制是自由基捕獲機(jī)制，如三甲基磷酸酯(TMP)，在受熱時(shí)氣化分解，釋放出具有捕獲電解液體系中氫自由基(H?)的阻燃自由基(如P?自由基)，阻止碳?xì)浠衔锶紵虮ǖ逆準(zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生。
阻燃添加劑包括：①有機(jī)磷化物阻燃劑：烷基磷酸酯如磷酸三甲酯(TMP)、磷酸三乙酯(TEP)、磷酸三丁酯(TBP)、磷酸三苯酯(TPP)、二甲基甲基膦酸酯(DMMP) ；②有機(jī)鹵化物阻燃劑：一氟代甲基碳酸乙烯酯(CH2F-EC)、二氟代甲基碳酸乙烯酯(CHF2-EC)和三氟代甲基碳酸乙烯酯(CF3-EC)；③復(fù)合阻燃劑：磷-氮類化合物(P-N)和鹵化磷酸酯(P-X)。
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過(guò)充保護(hù)添加劑
過(guò)充電保護(hù)劑必須滿足兩個(gè)點(diǎn)：①它們的氧化電位應(yīng)該在陰極充電截止電勢(shì)和電解液氧化分解電勢(shì)之間；②過(guò)充保護(hù)添加劑不能對(duì)電池的循環(huán)效率造成負(fù)面影響。
過(guò)充保護(hù)添加劑包括：①氧化還原對(duì)添加劑：I2/I3-，TEMPO/TEMPO+；②電聚合添加劑：聯(lián)苯；③熱敏感添加劑：PTC添加劑。
近年來(lái)，隨著鋰離子電池的研究與開(kāi)發(fā)工作的深入進(jìn)行，人們對(duì)電池中安全添加劑投入極大的關(guān)注，希望借此能夠進(jìn)一步改善鋰離子電池的安全問(wèn)題?，F(xiàn)有的安全添加劑能部分解決一些問(wèn)題，但還需繼續(xù)優(yōu)化完善。
