2019年3月11日，美國德克薩斯大學(xué)網(wǎng)站發(fā)布消息稱，其達(dá)拉斯分校研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過在鋰離子電池正極表面添加一層經(jīng)過設(shè)計(jì)的氧化物涂層，可有效解決鋰離子電池?zé)崾Э貑栴}。

 

　　高能量密度的鋰離子電池價(jià)格昂貴，主要是因?yàn)楫?dāng)電池不斷充電時，電池材料會發(fā)生降解，其所釋放的能量會讓電池溫度升高，使電池著火，產(chǎn)生安全問題。在電池不斷充電和再充電過程中，氧氣會從電池材料表面釋放出來。在此過程中，鋰離子從內(nèi)部到外部的運(yùn)輸通道可能會被隨氧氣釋放產(chǎn)生的金屬鎳粉塵堵塞。當(dāng)運(yùn)輸通道被堵塞時，想要進(jìn)出電池內(nèi)外的鋰離子將無法轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致電池容量快速下降。隨著熱量的增加，電池起火和爆炸的可能性也會增加。

　　德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在電池正極表面添加一層經(jīng)過設(shè)計(jì)的氧化物涂層，既可以解決電池過熱問題，也可以將電池容量提高20%至30%，改造后的電池可以耐受更長的充電時間。

　　基于上述熱失控問題的新發(fā)現(xiàn)，該研究團(tuán)隊(duì)已開始研發(fā)用于電動汽車的新型電池正極材料，以解決鋰離子運(yùn)輸通道的堵塞問題，同時與美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室合作，進(jìn)一步研究提高電池正極材料的富鋰容量和電池安全性問題。2.1 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，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，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。

 

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個主要類別。

 

有機(jī)磷化物阻燃劑：主要包括一些烷基磷酸酯、烷基亞磷酸酯、氟化磷酸酯以及磷腈類化合物。阻燃機(jī)理主要是阻燃分子干擾氫氧自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)也稱為自由基捕獲機(jī)制。添加劑氣化分解釋放出含磷自由基，該自由基具有捕獲體系中氫自由基終止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的能力。

 

磷酸酯類阻燃劑：主要有磷酸三甲酯、磷酸三乙酯（TEP）、磷酸三丁酯（TBP）等。磷腈類化合物如六甲基磷腈（HMPN），烷基亞磷酸酯如亞磷酸三甲酯（TMPI）、三-（2，2，2-三氟乙基）、亞磷酸酯（TT-FP），氟化磷酸酯如三-（2，2，2-三氟乙基）磷酸酯（TFP）、二-（2，2，2-三氟乙基）-甲基磷酸酯（BMP）、（2，2，2-三氟乙基）-二乙基磷酸酯（TDP）、苯辛基磷酸鹽（DPOF）等都是良好的阻燃添加劑。磷酸酯類通常粘度比較大、電化學(xué)穩(wěn)定性差，阻燃劑的加入在提高電解液阻燃性的同時也對電解液的離子導(dǎo)電性和電池的循環(huán)可逆性造成了負(fù)面影響。其解決方法一般是：①增加烷基基團(tuán)的碳含量；②芳香（苯基）基團(tuán)部分取代烷基基團(tuán)；③形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)的磷酸酯。