材料对锂离子电池安全性的影响大吗？

LIB安全问题的根源

 

锂离子电池内部的有电解液本质上是易燃的。热失控被认为是锂离子电池的安全问题的主要原因。当放热反应失控时，持续升高的温度可能会导致锂离子电池发生火灾和爆炸。了解热失控的原因和过程是十分必要的，通过功能材料的设计，可以提高锂离子电池的安全性和可靠性。热失控过程可分为三个阶段：

阶段1：过热开始

 

热失控从锂离子电池系统的反应过热开始。由于锂离子电池的过充、使用环境温度过高、外部或内部短路都可能会导致锂离子电池过热。其中，内部短路是热失控的主要原因，并且难以控制。内部短路通常发生在锂离子电池被破坏、形成锂枝晶、隔膜有缺陷等情况下。当锂离子电池内部温度开始升高时，阶段1结束，阶段2开始。

阶段2：热量积聚和气体释放过程

 

随着阶段2开始，锂离子电池内部温度迅速上升，并且锂离子电池经历以下反应（这些反应不按照确切的顺序发生;它们中的一些可以同时发生：

（1）固体电解质界面（SEI）由于过热或物理渗透而分解。

（2）随着SEI的分解温度升高，锂金属会与电解质中的有机溶剂反应，释放易燃的碳氢化合物气体，这是一个放热反应，进一步推动温度升高。

（3）当T >130℃时，聚乙烯（PE）/聚丙烯（PP）隔膜开始熔化，导致正极和负极之间短路。

（4）最终，热量导致锂金属氧化物正极材料的分解并导致释放氧气。

在阶段2期间，温度升高并且氧气在电池内累积。一旦积累到足够的氧气和热量，电池将会发生燃烧，热失控从阶段2进行到阶段3。

阶段3：燃烧和爆炸

 

在阶段3，燃烧开始。LIBs的电解质是有机的，具有很高的挥发性，并且本质上是高度易燃的。阶段2中释放的氧气和热量为可燃有机电解质的燃烧提供了所需条件，从而引起火灾或爆炸。在阶段2和3中，放热反应发生在近绝热条件下。

应该指出的是，上述反应并非严格按照给定顺序一个接一个地发生。热失控是一个相当系统和复杂的问题。基于对电池热失控的认识，正在研究多种方法，旨在通过合理设计电池组件来降低安全隐患。

                    

解决阶段1中的问题：寻找可靠的负极材料，防止LIB负极上的Li枝晶形成。从材料特性的角度来看，决定负极Li枝晶生长的根源是不稳定和不均匀的SEI膜，导致局部电流分布不均匀。通过在Li沉积过程中均化锂离子通量解决在纯Li金属负极中形成Li枝晶的问题。例如，制备保护涂层，人造SEI等。液体电解质和隔膜在物理分离高能正极和负极方面起着关键作用。因此，精心设计的多功能电解液和隔膜可以在电池热失控的早期阶段显着地保护电池。增稠液体电解质耗散冲击能量并表现出对压碎的耐受性保护电池免受机械损害。具有聚合物 - 金属 - 聚合物三层结构的“双功能分隔器” 可以提供电压检测功能。三层隔膜可以消耗有害的树枝状晶体，并在穿透隔膜后减缓它们的生长。过充电保护添加剂可以保护电池防止过度充电。

 

 

图3.解决第一阶段问题的方法。（A）剪切增稠电解质。（B）用于早期检测锂枝晶的双功能隔膜。（C）三层隔膜消耗有害的树枝状晶体并延长电池寿命。（D）二氧化硅纳米粒子夹心隔膜SEM图。（E）在相同条件下测试的具有常规隔膜（红色曲线）和二氧化硅纳米颗粒夹心三层隔膜（黑色曲线）的电压对时间曲线。（F）氧化还原穿梭添加剂机理的示意图。（G）氧化还原穿梭添加剂的典型化学结构。（H）关闭过充电添加剂的机理。（I）关闭过充电添加剂的典型化学结构。

 

解决阶段2中的问题：寻找可靠的正极材料，防止高温下正极材料释放氧。通过原子掺杂和表面保护涂层来提高正极材料的热稳定性。可热切换的集流体在电池温度升高期间终止电化学反应可以有效地防止温度进一步升高。一种快速和可逆的热响应聚合物开关（TRPS）已经被集成到集流体内部。在阶段2期间防止电池热失控的另一策略是关闭通过隔膜的Li离子的传导路径。具有高热稳定性的隔膜有两种：陶瓷增强隔膜、收缩率低高熔点聚合物隔膜。具有散热功能的电池组可以调节温度，避免温度失控。