新型熱失控抑制劑提升鋰離子電池安全性

鋰離子電池作為在我們生活中最為常見的化學(xué)儲(chǔ)能電源，其安全性是我們永恒的關(guān)注點(diǎn)。為了提升鋰離子電池的安全性，人們?cè)黾恿穗姵乜刂齐娐?BMS)用來控制電池充放電，防止鋰離子電池因過充、過放引起的安全風(fēng)險(xiǎn)。

在鋰離子電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上人們采用了三層復(fù)合隔膜和陶瓷涂層隔膜，來提升鋰離子電池在高溫情況下的安全性。

但是仍然有一類安全風(fēng)險(xiǎn)即便是做了萬全的安全設(shè)計(jì)，仍然難以避免，這就是機(jī)械濫用導(dǎo)致的鋰離子電池?zé)崾Э?，例如在鋰離子電池遭受外部機(jī)械壓力，導(dǎo)致電池變形或者被刺穿，引起正負(fù)極短路，整個(gè)鋰離子電池的電量都通過短路點(diǎn)在短時(shí)間內(nèi)釋放，會(huì)在短路點(diǎn)產(chǎn)生極高的溫度，導(dǎo)致正極活性物質(zhì)分解，釋放出氧化性機(jī)極強(qiáng)的游離氧，進(jìn)一步氧化電解液，大量產(chǎn)熱，最終導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生熱失控，引起起火和爆炸。

更為嚴(yán)重的是，如果熱失控是發(fā)生在電池組內(nèi)的一個(gè)電池上，熱失控電池釋放出的高溫，會(huì)導(dǎo)致熱失控在電池組內(nèi)部蔓延，引發(fā)嚴(yán)重的后果。

圖片來自參考文獻(xiàn)

因此，如何避免鋰離子電池發(fā)生熱失控和如何抑制熱失控在電池組內(nèi)部蔓延就成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)，例如在前一篇文章中，我們就介紹了一種填充在電池組內(nèi)部，用于抑制熱失控電池組內(nèi)蔓延的相變復(fù)合材料PCC。

而今天要給大家介紹的是一種添加在電池內(nèi)的熱失控抑制劑，該材料的主要作用是當(dāng)鋰離子電池在發(fā)生機(jī)械濫用的情況下，能夠在電池內(nèi)部及時(shí)釋放，從而抑制熱失控的發(fā)展。

研究顯示，通過在電池內(nèi)添加4%的抑制劑，就可以將電池在穿刺實(shí)驗(yàn)中的最高溫度降低50%，而且該材料對(duì)電池的循環(huán)性能影響微乎其微，該研究成果最近由加州大學(xué)圣地亞哥分校的Yang Shi等人發(fā)表在JPS期刊上。

一般來說一些傳統(tǒng)的電解液阻燃劑雖然能夠能增加鋰離子電池的安全性，但是卻會(huì)嚴(yán)重的降低鋰離子電池的循環(huán)性能，為了解決這一問題，Yang Shi等人利用了膠囊結(jié)構(gòu)，將熱失控抑制劑DBA(二芐胺)用膠囊結(jié)構(gòu)進(jìn)行包裹，放入到電池內(nèi)部，在電池收到外部的機(jī)械壓力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致膠囊結(jié)構(gòu)被破壞，釋放出熱失控抑制劑，從而短時(shí)間內(nèi)抑制熱失控的發(fā)生。

試驗(yàn)中采用了LIR-2450扣式電池進(jìn)行了測(cè)試，在針刺試驗(yàn)中，添加DBA的實(shí)驗(yàn)組電池溫升為40攝氏度，而對(duì)照組試驗(yàn)電池的溫升則達(dá)到了75攝氏度，通過添加DBA使得在機(jī)械濫用導(dǎo)致的熱失控中電池溫升降低了50%左右。

通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組電池在熱失控中釋放的熱量為0.15Wh，而對(duì)照組電池在熱失控中則釋放了0.23Wh的熱量，通過在電池中添加4%的DBA使得電池在熱失控中電池產(chǎn)熱降低了1/3左右。

在擠壓試驗(yàn)中，Yang Shi將電芯重量5%DBA裝入到鋁塑膜袋中，并裝入到電池中，在電池遭受擠壓的變形時(shí)，鋁塑膜破裂將DBA釋放到電解液中，試驗(yàn)結(jié)果顯示，通過在電池中添加DBA抑制劑，使得電池在擠壓導(dǎo)致的熱失控過程中，電池溫升降低了50%左右，這與針刺試驗(yàn)的結(jié)果是一致的。

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為了揭示DBA在鋰離子電池中的工作原理，Yang Shi還研究DBA與正負(fù)極之間的反應(yīng)活性，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，DBA可以與滿電態(tài)的正極發(fā)生反應(yīng)，在正極表面形成固體-電解質(zhì)膜，使得電荷交換的阻抗增大。

對(duì)電解液的離子電導(dǎo)率測(cè)試發(fā)現(xiàn)，DBA的加入使得電解液的電導(dǎo)率大幅的下降，純的電解液的電導(dǎo)率為9.23mS/cm，在電解液中添加5%和10%的DBA后電解液的電阻率就下降到了7.59 mS/cm和6.38 mS/cm。測(cè)試Li+在電解液中的遷移數(shù)，在對(duì)照組中，Li+的遷移數(shù)為0.48，而添加5%DBA的實(shí)驗(yàn)組電解液，Li+的遷移數(shù)則只有0.23。

從上述分析結(jié)果可以看出，通過在電解液中添加DBA，使得電荷交換阻抗增加，電解液離子電導(dǎo)率下降，Li+遷移數(shù)下降，總的來說就是抑制了Li+在正負(fù)極之間遷移，從而減少熱量的產(chǎn)生。

YangShi工作為鋰離子電池?zé)崾Э仡A(yù)防提供了新的思路，特別是通過將DBA密封在鋁塑膜之中，既能夠在發(fā)生機(jī)械濫用的時(shí)候及時(shí)將DBA釋放到電解液中，通過增加正極的電荷交換阻抗，降低電解液的離子電導(dǎo)率和降低Li+遷移數(shù)，從而達(dá)到降低短路電流的目的，研究顯示4%的添加量就可以將熱失控溫度降低50%左右。DBA采用鋁塑膜包裝另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，在正常情況下，DBA不會(huì)釋放到電解液中，因此不會(huì)對(duì)電池的循環(huán)性能產(chǎn)生影響。