效解决锂离子电池热失控问题的方法是什么？

2019年3月11日，美国德克萨斯大学网站发布消息称，其达拉斯分校研究团队发现，通过在锂离子电池正极表面添加一层经过设计的氧化物涂层，可有效解决锂离子电池热失控问题。

 

　　高能量密度的锂离子电池价格昂贵，主要是因为当电池不断充电时，电池材料会发生降解，其所释放的能量会让电池温度升高，使电池着火，产生安全问题。在电池不断充电和再充电过程中，氧气会从电池材料表面释放出来。在此过程中，锂离子从内部到外部的运输通道可能会被随氧气释放产生的金属镍粉尘堵塞。当运输通道被堵塞时，想要进出电池内外的锂离子将无法转移，从而导致电池容量快速下降。随着热量的增加，电池起火和爆炸的可能性也会增加。

　　德克萨斯大学达拉斯分校研究团队发现，在电池正极表面添加一层经过设计的氧化物涂层，既可以解决电池过热问题，也可以将电池容量提高20%至30%，改造后的电池可以耐受更长的充电时间。

　　基于上述热失控问题的新发现，该研究团队已开始研发用于电动汽车的新型电池正极材料，以解决锂离子运输通道的堵塞问题，同时与美国海军研究实验室合作，进一步研究提高电池正极材料的富锂容量和电池安全性问题。2.1 外部管理

 

1）PTC（正温度系数）元件：在锂离子电池中安装PTC 元件，其综合考虑了电池内部的压力和温度，当电池因过充而升温时，电池内阻迅速提高从而限制电流，使正负极之间的电压降为安全电压，实现对电池的自动保护功能。

 

2）防爆阀：当电池由于异常导致内压过大时，防爆阀变形，将置于电池内部用于连接的引线切断，停止充电。

 

3）电子线路：2~4 节的电池组可以预埋电子线路设计锂离子保护器，避免过充及过放电，从而避免安全事故发生，延长电池寿命。

 

当然这些外部控制方法都有一定效果，但这些附加装置增加了电池的复杂性和生产成本，也不能彻底解决电池安全性问题。因此，有必要建立一种内在的安全保护机制。

 

2.2 改进电解液体系

 

电解液作为锂离子电池的血液，电解液的性质直接决定了电池的性能，对电池的容量、工作温度范围、循环性能及安全性能都有重要的作用。目前商用锂离子电池电解液体系，其应用最广泛的组成是LiPF6、碳酸乙烯酯和线性碳酸酯。前面两个是不可或缺的成分，它们的使用也产生了电池性能方面某些局限，同时电解液中使用了大量低沸点、低闪点的碳酸酯类溶剂，在较低的温度下即会闪燃，存在很大的安全隐患。因此，许多研究者尝试改进电解液体系以提高电解液的安全性能。在电池的主体材料（包括电极材料、隔膜材料和电解质材料）在短时间内不发生颠覆性改变的情况下，提高电解液的稳定性是增强锂离子电池安全性的一条重要途径。

 

2.2.1 功能添加剂 

 

功能添加剂具有用量少、针对性强的特点。即在不增加或基本不增加电池成本、不改变生产工艺的情况下能显著改善电池的某些宏观性能。因此，功能添加剂成为当今锂离子电池领域一个研究热点，是解决目前锂离子电池电解液易燃问题最有希望的途径之一。添加剂的基本作用就是阻止电池温度过高和将电池电压限定在可控范围内。因此，添加剂的设计也是从温度和充电电位发挥作用的角度进行考虑的。

 

阻燃添加剂：阻燃添加剂又可以根据阻燃元素的不同分为有机磷系阻燃添加剂、含氮化合物阻燃添加剂、卤代碳酸酯类阻燃添加剂、硅系阻燃添加剂以及复合阻燃添加剂５个主要类别。

 

有机磷化物阻燃剂：主要包括一些烷基磷酸酯、烷基亚磷酸酯、氟化磷酸酯以及磷腈类化合物。阻燃机理主要是阻燃分子干扰氢氧自由基的链式反应也称为自由基捕获机制。添加剂气化分解释放出含磷自由基，该自由基具有捕获体系中氢自由基终止链式反应的能力。

 

磷酸酯类阻燃剂：主要有磷酸三甲酯、磷酸三乙酯（TEP）、磷酸三丁酯（TBP）等。磷腈类化合物如六甲基磷腈（HMPN），烷基亚磷酸酯如亚磷酸三甲酯（TMPI）、三-（2，2，2-三氟乙基）、亚磷酸酯（TT-FP），氟化磷酸酯如三-（2，2，2-三氟乙基）磷酸酯（TFP）、二-（2，2，2-三氟乙基）-甲基磷酸酯（BMP）、（2，2，2-三氟乙基）-二乙基磷酸酯（TDP）、苯辛基磷酸盐（DPOF）等都是良好的阻燃添加剂。磷酸酯类通常粘度比较大、电化学稳定性差，阻燃剂的加入在提高电解液阻燃性的同时也对电解液的离子导电性和电池的循环可逆性造成了负面影响。其解决方法一般是：①增加烷基基团的碳含量；②芳香（苯基）基团部分取代烷基基团；③形成环状结构的磷酸酯。