鉅大LARGE | 點擊量：676次 | 2022年07月22日
動力鋰電池安全問題解決之道
動力鋰電池的安全性是決定其最終能否大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。上海交通大學(xué)教授、電化學(xué)和能源技術(shù)研究所副所長楊軍日前接受記者采訪時表示，現(xiàn)有鋰電池的重要安全隱患是電解液易燃易爆和高能電池體系熱力學(xué)不穩(wěn)定。選擇電池材料和體系要在電池能量密度和安全性之間尋求平衡，從材料入手改善鋰電池安全性。
現(xiàn)有電池存安全隱患
楊軍告訴記者，高能量密度鋰電池要高輸出電壓和電極儲鋰容量。目前電解液重要為有機溶劑，難以承受4.5伏以上的高電壓，容易分解出現(xiàn)氣體，造成電池氣脹、破裂或爆炸。同時，充電狀態(tài)下的正負極材料本身也很活潑，如鈷酸鋰之類的正極材料在過充電或受熱狀態(tài)下容易發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌，并出現(xiàn)顯著的熱效應(yīng)，而含有機溶劑的鋰化石墨負極在接觸空氣時也容易燃燒。目前使用的鋰電池重要以石墨基材料作為負極，其嵌鋰電位接近金屬鋰的析出電位，在快速充電時容易造成金屬鋰析出，常以鋰枝晶或鋰粉末狀態(tài)存在，前者會使電池內(nèi)短路，后者會加速電解液分解或和空氣接觸發(fā)生燃燒。因此，選擇合適的電極材料和電解質(zhì)體系能夠在熱力學(xué)層面從源頭為電池安全性供應(yīng)保障。
優(yōu)化電解質(zhì)體系
極性有機溶劑電解液難以保障動力鋰電池的安全性，而現(xiàn)有的離子液體要么電化學(xué)窗口不夠?qū)挘聪鄬Ψ肿淤|(zhì)量和黏度太大，尚不能完全替代有機溶劑。因此，發(fā)展低溶劑或無溶劑的聚合物電解質(zhì)、無機有機復(fù)合電解質(zhì)或無機固體電解質(zhì)是提高電池安全性的根本舉措。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
楊軍課帶領(lǐng)的題組以80%高空隙的親水型聚四氟乙烯薄膜為基底原位交聯(lián)聚合成功制備了支鏈帶大量環(huán)氧乙烷基團的共聚復(fù)合多孔膜。這種隔膜有優(yōu)良的力學(xué)和耐熱性能，且由于電解液和聚合物用途成為凝膠而不會泄漏，故遇明火也不易燃燒。此外，該凝膠聚合物薄膜的高吸液率也使其具有高的離子電導(dǎo)率。采用該電解質(zhì)薄膜的Li/LiFePO4和Li/S電池性能接近或優(yōu)于傳統(tǒng)電池。
楊軍指出，雖然低溶劑或無溶劑的聚合物電解質(zhì)薄膜能夠在很大程度上改善電池的安全性能，代表了未來的發(fā)展方向，但已經(jīng)開發(fā)的這類薄膜大多在機械強度和鋰離子電導(dǎo)率上不能同時滿足應(yīng)用要求，尚要從材料和技術(shù)上取得突破。
提高負極嵌鋰電位
楊軍指出，提高負極的嵌鋰電位也能有效改善電池的安全性和循環(huán)使用壽命。他表示，和石墨基負極材料相比，能提高電極電位的材料有硬碳、硅、錫、鈦酸鋰等。在合金負極材料的研究方面中科院物理所和上海交通大學(xué)起步較早，也較深入，但仍然處于基礎(chǔ)研發(fā)階段，國外也沒有真正意義上的產(chǎn)業(yè)化。近年來對硅基復(fù)合負極材料的研究已經(jīng)在實驗室中使電極的循環(huán)性能得到大幅提高，但平均循環(huán)效率大多難以超過99.5%，并且一些特殊納米結(jié)構(gòu)材料難以低成本大規(guī)模生產(chǎn)，阻礙了其產(chǎn)業(yè)化。
楊軍告訴記者，硅基負極的嵌鋰電位比石墨提高約0.15伏。硅的另一大優(yōu)勢是其儲鋰容量可達石墨的近10倍，但其相應(yīng)的體積膨脹率也大于300%，致使電子易導(dǎo)電性喪失，容量快速衰減。楊軍教授的課題組通過多孔二氧化硅的鎂熱還原和酸洗工藝制備了3D介孔結(jié)構(gòu)硅材料，結(jié)合納米層碳包覆，較好地解決了此問題。該硅基電極在1C倍率下比容大于1500mAh/g，100次循環(huán)后無容量衰減現(xiàn)象。
零體積效應(yīng)和高充放電電位的鈦酸鋰作為負極材料能有極好的電化學(xué)可逆性，但在高溫下充放電容易出現(xiàn)氣體，縮短電池壽命，楊軍課題組對影響這類電池脹氣的因素，如電解液組成和雜質(zhì)水含量、電極組成及荷電程度等進行了較為系統(tǒng)的研究，優(yōu)化了電池性能。
