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锂离子电池安全性问题
发布日期:2011-5-12  来源:中华电池网  阅读次数:2771  【  】 【打印
  1、使用安全型锂离子电池电解质

  目前锂离子电池电解液使用碳酸酯作为溶剂,其中线型碳酸酯能够提高电池的充放电容量和循环寿命,但是它们的闪点较低,在较低的温度下即会闪燃,而氟代溶剂通常具有较高的闪点甚至无闪点,因此使用氟代溶剂有利于抑制电解液的燃烧。目前研究的氟代溶剂包括氟代酯和氟代醚。

  阻燃电解液是一种功能电解液,这类电解液的阻燃功能通常是通过在常规电解液中加入阻燃添加剂获得的。阻燃电解液是目前解决锂离子电池安全性最经济有效的措施,所以尤其受到产业界的重视。

  使用固体电解质,代替有机液态电解质,能够有效提高锂离子电池的安全性。固体电解质包括聚合物固体电解质和无机固体电解质。聚合物电解质,尤其是凝胶型聚合物电解质的研究取得很大的进展,目前已经成功用于商品化锂离子电池中,但是凝胶型聚合物电解质其实是干态聚合物电解质和液态电解质妥协的结果,它对电池安全性的改善非常有限。干态聚合物电解质由于不像凝胶型聚合物电解质那样包含液态易燃的有机增塑剂,所以它在漏液、蒸气压和燃烧等方面具有更好的安全性。目前的干态聚合物电解质尚不能满足聚合物锂离子电池的应用要求,仍需要进一步的研究才有望在聚合物锂离子电池上得到广泛应用。相对于聚合物电解质,无机固体电解质具有更好的安全性,不挥发,不燃烧,更加不会存在漏液问题。此外,无机固体电解质机械强度高,耐热温度明显高于液体电解质和有机聚合物,使电池的工作温度范围扩大;将无机材料制成薄膜,更易于实现锂离子电池小型化,并且这类电池具有超长的储存寿命,能大大拓宽现有锂离子电池的应用领域。

  常规的含阻燃添加剂的电解液具有阻燃效果,但是其溶剂仍是易挥发成分,依然存在较高的蒸气压,对于密封的电池体系来说,仍有一定的安全隐患。而以完全不挥发、不燃烧的室温离子液体为溶剂,将有希望得到理想的高安全性电解液。离子液体是在室温及相邻温度下完全由离子组成的有机液体物质,具有电导率高、液态范围宽、不挥发和不燃等特点,将离子液体用于锂离子电池电解液中有望解决锂离子电池的安全问题。

  2、提高电极材料热稳定性

  锂离子电池的安全问题是不安全电解质直接导致的,但从根源上来说,是因为电池本身的稳定性不高,热失控的出现导致的。而热失控的发生除了电解质的热稳定性原因,电极材料的热稳定性也是最重要的原因之一,所以提高电极材料的热稳定性也是提高电池安全性的重要环节,但是这里所说的电极材料热稳定性不但包括其自身的热稳定性,也要包括其与电解质材料相互作用的热稳定性。

  通常负极材料热稳定性是有其材料结构和充电负极的活性决定的。对于碳材料,球形碳材料,如中间相碳微球(MCMB)相对于鳞片状石墨,具有较低的比表面积,较高的充放电平台,所以其充电态活性较小,热稳定性相对较好,安全性高。而尖晶石结构的Li4Ti5O12,相对于层状石墨的结构稳定性更好,其充放电平台也高得多,因此热稳定性更好,安全性更高。因此,目前对安全性要求更高的动力电池中通常使用MCMB或Li4Ti5O12代替普通石墨作为负极。通常负极材料的热稳定性除了材料本身之外,对于同种材料,特别是石墨来说,负极与电解液界面的固体电解质界面膜(SEI)的热稳定性更受关注,而这也通常被认为是热失控发生的第一步。提高SEI膜的热稳定性途径主要有两种:一是负极材料的表面包覆,如在石墨表面包覆无定形炭或金属层;另一种是在电解液中添加成膜添加剂,在电池活化过程中,它们在电极材料表面形成稳定性较高的SEI膜,有利于获得更好的热稳定性。

  正极材料和电解液的热反应被认为是热失控发生的主要原因,提高正极材料的热稳定性尤为重要,在产业界正极材料的开发也更受关注,除了有其价格较高、利润较大的原因外,它在电池安全性中的重要地位也是其备受关注的一个重要原因。与负极材料一样,正极材料的本质特征决定了其安全特征。LiFePO4由于具有聚阴离子结构,其中的氧原子非常稳定,受热不易释放,因此不会引起电解液的剧烈反应或燃烧;而其他过渡金属氧化物正极材料,受热或过充时容易释放出氧气,安全性差。而在过渡金属氧化物当中,LiMn2O4在充电态下以λ-MnO2形式存在,由于它的热稳定性较好,所以这种正极材料也相对安全性较好。此外,也可以通过体相掺杂、表面处理等手段提高正极材料的热稳定性。


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