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锂离子电池热失控防范技术解析

北极星储能网  来源:储能科学与技术  作者:李惠 等  2018/5/4 8:50:38  我要投稿  

北极星储能网讯:研究背景

安全性是制约高比能、大容量锂离子电池规模应用的重要技术问题,热失控是导致电池发生爆炸、燃烧等不安全行为的根本原因。从电化学角度来看,在锂离子电池内部建立一种自激发热保护机制,切断危险温度下电池内部的离子或电子传输,关闭电池反应,是解决这一问题的有效途径。基于这一考虑,近年来人们提出了一系列新型热失控防范技术,包括正温度系数电极(即PTC电极)、热敏性微球修饰隔膜(或电极)、热聚合添加剂等。本文在简要介绍这些安全性技术的实现方式和工作原理之后,重点介绍了这一领域的最新研究进展。在此基础上,从实际应用需求出发,对其存在的问题及发展趋势进行了探讨。

重点内容导读

电极反应必须涉及电子传输和离子传输。如果在电池内部存在一种温度感应机制,当电池温度过高时,这种机制能够及时响应并有效切断电子或离子传输,那么电池反应就会被关闭,从而避免电池大幅度升温,阻止其进入自加温的热失控状态。基于这一思路,近年来国内外研究者相继提出了正温度系数电极、热响应微球修饰隔膜、热聚合添加剂等热失控防范新技术。根据它们作用原理的不同,这些技术大致可归纳为两类:离子传输热切断和电子传输热切断。本文将简要介绍这一方向的主要研究进展,以便为高安全性动力电池开发提供借鉴和参考。

1 离子传输热切断技术

1.1 热熔化封闭

图1 离子传输热熔化封闭原理示意图

1.2 热聚合封闭

图2 离子传输热聚合封闭原理示意图

2 电子传输热切断技术

图3 温度敏感电极的构造方式及工作原理示意图:(a)PTC材料作为电极集流体的表面涂层;(b)PTC材料作为电极活性层的导电剂;(c)PTC材料为电极活性颗粒的表面包覆层

结论

安全性是制约锂离子电池在动力与储能领域应用的重要技术问题。建立电池热失控防范新机制与新技术,提高电池的本征安全性,对于锂离子电池的规模化应用至关重要。从目前研究进展来看,利用材料的热相变行为实现离子传输的热切断以及利用PTC材料的正温度系数效应实现电子传输热切断,是两类值得期待的自激发热保护技术。在几种离子传输热切断技术中,利用表面修饰可熔性微球发展的热关闭隔膜具有化学稳定性高、与实际体系的电化学兼容性好以及使用方便等特点,更具应用发展前景。但受制于现有聚烯烃隔膜热稳定性的限制,微球修饰隔膜的过热保护功效并不能得到充分体现。将微球修饰技术与高热稳定性的隔膜(如聚酰亚胺PI膜)相结合,可能是一种更值得期待的热保护方法;在几种电子传输热切断技术中,基于PTC涂层的温度敏感电极仅对过充和外部短路有效,而基于PTC表面包覆的温度敏感电极材料则存在制备工艺复杂的问题。相比较而言,基于PTC导电剂的温度敏感电极更具应用前景,因为它不仅对所有引发热失控的滥用均有效,而且具有与现有电池生产工艺高度兼容的特点。在PTC材料的选择方面,由于导电聚合物PTC材料具有可加工性高、分散性好,以及电化学活性等优点,更具发展前景。

引用本文

李惠, 吉维肖, 曹余良, 詹晖, 杨汉西, 艾新平. 锂离子电池热失控防范技术[J]. 储能科学与技术, 2018, 7(3): 280-287.

原标题:【高比能锂离子电池专刊*艾新平等】锂离子电池热失控防范技术

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