鉅大LARGE | 點擊量：839次 | 2019年04月27日
使用固體電解質能夠有效提高鋰離子電池的安全性你知道嗎？
鋰離子電池目前已成為筆記本電腦和手持系統能量來源（電源）的首選。隨著CPU、顯示器和DVD驅動器對電源功率的需求持續增長，高能量密度的電池組也不斷發展。同時，大批量制造工藝保證了高能量密度電池組有一個合理的價格水平。
許多新技術，在提高性能的同時也增大了系統的功率消耗。對生產電池的化工企業來說，電池生產技術的實質性進展是很困難的，耗時長、成本高。所以必須尋找尋找優化電源保存的方法。智能電池系統（SBS）是出現的最有希望的技術，可以大大提升電池組的性能。
在計算機工業界，對鋰離子電池真是又愛又怕。在鋰離子電池應用的早期所發生的事故，仍然讓曾涉入的公司記憶猶新。他們得到了印象深刻的教訓：在任何情況下，都不能超過鋰離子電池的額定參數，否則肯定會引起爆炸或起火。
除電池的化學成份或電極等參數外，對鋰離子電池來說，還有幾個確定的參數，如果超過了會使電池進入失控的狀態。在解釋這些參數的圖表中（參考鋰離子參數圖），相應閾值曲線外的任一點都是失控狀態。隨電池電壓增加，溫度閾值下降。另一方面，任何致使電池電壓超過其設計值的行為都會導致電池過熱。
謹防充電器造成危害
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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%
電池組制造商設定了幾層電池和包裝保護，以防止危險的過熱狀態。但在電池使用中有一個部件可能會使這些措施失敗從而造成危害，這一器件就是充電器。
充電鋰離子電池造成危害的途徑有三種：電池電壓過高（最危險的情況）；充電電流過大（過大充電電流造成鋰電鍍效應，從而引起發熱）；不能正確地終止充電過程，或在過低的溫度下充電。
鋰離子電池充電器的設計人員采取額外的預防性措施以避免超出這些參數的允許范圍。以絕對保證系統有關參數工作在安全的范圍內。
例如智能電池充電器規范，允許-9%的電壓負偏差，但強調正偏差不得超過1%。保證了符合智能電池安全標準。當然，在實際設計中，偏差的正負是隨機的。所以符合此規范的設計經常是使充電器的目標電壓值設定在額定值的-4%附近。
由于充電電壓的不準確（不管是-4%還是-9%），電池始終處于充電不足的狀態。對鋰離子電池潛在危險的恐懼導致電池組容量的利用率很低。根據業界專家的經驗，即使充電后電壓只比額定值低0.05%，容量的下降卻高達15%。
電池內置入計算機
智能電池技術的原理是很簡單的，在電池內置入小型計算機來監視和分析所有的電池數據，以精確預報剩余電池容量。剩余電池容量可以直接換算成便攜式計算機的剩余工作時間。與原始的僅靠電壓監測的容量測量方法相比，可以立即使工作時間延長35%。
遺憾的是，智能電池技術也就只能做到這么多了。除非可以和充電器電路互相通信，他們不可以確定其操作環境或對充電過程進行控制。
在“智能電池系統”環境下，在特定的電壓和電流情況下，電池請求智能充電器對其進行充電。然后，智能充電器負責根據請求電壓和電流參數對電池進行充電。
充電器依靠自己內部的電壓和電流參考調整自己的輸出，以與智能電池請求的值相匹配。由于這些基準的不準確度可達-9%，所以充電過程可能在電池只是部分充電的情況下結束。
對充電環境的更詳細了解可以揭示出更多影響鋰離子電池充電效率的問題。即使在最理想的情況下，假設充電器的精確度為100%，充電通路上位于充電器的電池間的電阻元件引入了額外的壓降，特別是恒流充電階段。這些額外的壓降導致充電過程過早地從恒流進入恒壓階段。
由于電阻引入的壓降隨電流降低會逐漸減弱，充電器最終會完成充電過程。但充電時間會延長。恒流充電過程中能量的轉移效率要高一些。
消除電阻壓降
最理想的情況是充電器的輸出準確地消除了電阻壓降的影響。可能會有人提出這樣的解決方案，在充電過程的所有階段，智能充電器利用智能電池內監測電路數據監視并校正自己的輸出。對單個電池系統來說，這是可行的，但對雙或多電池系統就不太適用了。
在雙電池系統中，如果可能的話，最好是同時對兩個電池進行充放電操作。雖然電池充電是并行的，典型的只有一個SMBUS端口的充電器還是不能勝任這一工作。因為如果只有一個SMBUS端口，充電器或其它SMBUS設備，只能同時與一個電池進行通信。所以，理想的系統應該提供兩個或更多個SMBUS端口，這樣，兩個電池就可以同時與充電器通信了。
智能電池系統（SBS）管理器
除提供多個SMBUS端口以外，SBS管理器技術也可以大幅提升鋰離子智能電池的性能。SBS管理器是SBS的一部分，由SBS1.1規范所定義。它代替了前一版本中定義的智能選擇器（SmartSelector)。
SBS管理器一方面提供了與驅動器和振作系統端的接口，另一方面則對智能電池和充電器進行管理。驅動器可讀取和請求發送與電池、充電器和管理器本身有關的信息。規范中定義了與這一信息傳輸有關的接口。在一個多電池系統中，SBS管理器負責選擇系統電源，決定在特定的時刻對那一塊電池進行充電或放電。簡短來說就是，SBS管理器確定對哪一塊電池進行充電，哪一塊進行放電，以及什么時候進行。
一個實現得好的SBS管理有幾大優點：更完全、更快速的充電過程、同時進行高效充電和放電、以及對危險情況（如潛在的電壓超限）的檢測和快速反應能力。
可以監測電池本身電壓的SBS管理器可將電池充到其真實的容量。可以避免由于智能充電器由于監視電壓不準（如前所述，一般為-4%到-9%）而造成的充電不足。此外，這一過程并不需要特別精確的基準電壓（精確的電壓基準是很昂貴的）。
避免使用精確電壓基準的策略是利用智能電池內部的測量電路測量電池電壓，其精度可達1%。這樣，SBS管理器可命令充電器適當增高電壓直到監測到的電壓達到合適的值。
實現得好的SBS管理器可使電池的充電過程比傳統充電器快16%。安全地提高充電器的輸出電壓，使其高于電池的額定電壓以補償由于電池的內部電阻及回路電阻造成的壓降。通過監測電池內部電壓并可迅速調整充電器電壓，可以實現這一過程。
何時及如何充電
SBS管理器可以決定什么時候同時對電池組進行充電。同時充電允許更好地利用充電器的電流進行充電。在單電池系統中，當進入恒壓充電模式時，充電器提供的充電電流隨電池充滿程度的提高而減小。沒有用到的電流被浪費掉了。在利用SBS管理器的雙電池系統中就不是這樣了，對一塊電池充電時利用不上的電流可以為另一塊所用。
而且，SBS管理器可以判斷哪一塊電池的狀態可以更快地進行能量傳輸。可以最快地增加系統容量的電池最先被充電，哪些可以充入更多的能量的電池則先被快速放電。這樣可以加快充電過程達60%。SBS管理器還可決定何時使能同時放電功能。適當的同時放電可以使系統容量增加16%之多。
當然，所有這些改進對電池的性能來說都必須是安全的。正如前面討論過的一樣，鋰離子電池有一額定電壓。當加到電池上的電壓達到最大值時，充電過程從恒流轉換至恒壓模式。對這一轉換點的檢測，是由智能充電SBS管理器負責的，根據是測量到的電池電壓。但SBS管理器比智能充電器的巨大優點是，它可以不斷監視和校正充電器以及電池電壓。這樣在達到電池的最大容量的情況下還保證了安全。
由于計算機等設備性能不斷提高，能量的需要增長很快，化學電池的改進還無法趕上這一增長速度。雖然SBS技術非常有幫助，但總會有一天僅靠SBS技術無法提供高性能系統需求的功率，需要更為智能化的電源管理方案。
如果那個OEM廠商可以使筆記本電腦持續工作6個小時而不會明顯地影響到性能，就會迅速占領市場。SBS管理器朝這一目標邁進了一大步。
1、使用安全型鋰離子電池電解質
目前鋰離子電池電解液使用碳酸酯作為溶劑，其中線型碳酸酯能夠提高電池的充放電容量和循環壽命，但是它們的閃點較低，在較低的溫度下即會閃燃，而氟代溶劑通常具有較高的閃點甚至無閃點，因此使用氟代溶劑有利于抑制電解液的燃燒。目前研究的氟代溶劑包括氟代酯和氟代醚。
阻燃電解液是一種功能電解液，這類電解液的阻燃功能通常是通過在常規電解液中加入阻燃添加劑獲得的。阻燃電解液是目前解決鋰離子電池安全性最經濟有效的措施，所以尤其受到產業界的重視。
使用固體電解質，代替有機液態電解質，能夠有效提高鋰離子電池的安全性。固體電解質包括聚合物固體電解質和無機固體電解質。聚合物電解質，尤其是凝膠型聚合物電解質的研究取得很大的進展，目前已經成功用于商品化鋰離子電池中，但是凝膠型聚合物電解質其實是干態聚合物電解質和液態電解質妥協的結果，它對電池安全性的改善非常有限。干態聚合物電解質由于不像凝膠型聚合物電解質那樣包含液態易燃的有機增塑劑，所以它在漏液、蒸氣壓和燃燒等方面具有更好的安全性。目前的干態聚合物電解質尚不能滿足聚合物鋰離子電池的應用要求，仍需要進一步的研究才有望在聚合物鋰離子電池上得到廣泛應用。相對于聚合物電解質，無機固體電解質具有更好的安全性，不揮發，不燃燒，更加不會存在漏液問題。此外，無機固體電解質機械強度高，耐熱溫度明顯高于液體電解質和有機聚合物，使電池的工作溫度范圍擴大;將無機材料制成薄膜，更易于實現鋰離子電池小型化，并且這類電池具有超長的儲存壽命，能大大拓寬現有鋰離子電池的應用領域。
常規的含阻燃添加劑的電解液具有阻燃效果，但是其溶劑仍是易揮發成分，依然存在較高的蒸氣壓，對于密封的電池體系來說，仍有一定的安全隱患。而以完全不揮發、不燃燒的室溫離子液體為溶劑，將有希望得到理想的高安全性電解液。離子液體是在室溫及相鄰溫度下完全由離子組成的有機液體物質，具有電導率高、液態范圍寬、不揮發和不燃等特點，將離子液體用于鋰離子電池電解液中有望解決鋰離子電池的安全問題。
2、提高電極材料熱穩定性
鋰離子電池的安全問題是不安全電解質直接導致的，但從根源上來說，是因為電池本身的穩定性不高，熱失控的出現導致的。而熱失控的發生除了電解質的熱穩定性原因，電極材料的熱穩定性也是最重要的原因之一，所以提高電極材料的熱穩定性也是提高電池安全性的重要環節，但是這里所說的電極材料熱穩定性不但包括其自身的熱穩定性，也要包括其與電解質材料相互作用的熱穩定性。
通常負極材料熱穩定性是有其材料結構和充電負極的活性決定的。對于碳材料，球形碳材料，如中間相碳微球(MCMB)相對于鱗片狀石墨，具有較低的比表面積，較高的充放電平臺，所以其充電態活性較小，熱穩定性相對較好，安全性高。而尖晶石結構的Li4Ti5O12,相對于層狀石墨的結構穩定性更好，其充放電平臺也高得多，因此熱穩定性更好，安全性更高。因此，目前對安全性要求更高的動力電池中通常使用MCMB或Li4Ti5O12代替普通石墨作為負極。通常負極材料的熱穩定性除了材料本身之外，對于同種材料，特別是石墨來說，負極與電解液界面的固體電解質界面膜(SEI)的熱穩定性更受關注，而這也通常被認為是熱失控發生的第一步。提高SEI膜的熱穩定性途徑主要有兩種：一是負極材料的表面包覆，如在石墨表面包覆無定形炭或金屬層;另一種是在電解液中添加成膜添加劑，在電池活化過程中，它們在電極材料表面形成穩定性較高的SEI膜，有利于獲得更好的熱穩定性。
正極材料和電解液的熱反應被認為是熱失控發生的主要原因，提高正極材料的熱穩定性尤為重要，在產業界正極材料的開發也更受關注，除了有其價格較高、利潤較大的原因外，它在電池安全性中的重要地位也是其備受關注的一個重要原因。與負極材料一樣，正極材料的本質特征決定了其安全特征。LiFePO4由于具有聚陰離子結構，其中的氧原子非常穩定，受熱不易釋放，因此不會引起電解液的劇烈反應或燃燒;而其他過渡金屬氧化物正極材料，受熱或過充時容易釋放出氧氣，安全性差。而在過渡金屬氧化物當中，LiMn2O4在充電態下以λ-MnO2形式存在，由于它的熱穩定性較好，所以這種正極材料也相對安全性較好。此外，也可以通過體相摻雜、表面處理等手段提高正極材料的熱穩定性。
