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从材料入手 动力锂电池安全问题解决之道

导读: 现有锂离子电池的主要安全隐患是电解液易燃易爆和高能电池体系热力学不稳定。选择电池材料和体系需要在电池能量密度和安全性之间寻求平衡,从材料入手改善锂电池安全性。

  动力电池的安全性是决定其最终能否大规模应用的关键。上海交通大学教授、电化学与能源技术研究所副所长杨军日前接受记者采访时表示,现有锂离子电池的主要安全隐患是电解液易燃易爆和高能电池体系热力学不稳定。选择电池材料和体系需要在电池能量密度和安全性之间寻求平衡,从材料入手改善锂电池安全性。

  现有电池存安全隐患

  杨军告诉记者,高能量密度锂离子电池需要高输出电压和电极储锂容量。目前电解液主要为有机溶剂,难以承受4.5伏以上的高电压,容易分解产生气体,造成电池气胀、破裂或爆炸。同时,充电状态下的正负极材料本身也很活泼,如钴酸锂之类的正极材料在过充电或受热状态下容易发生结构坍塌,并产生显著的热效应,而含有机溶剂的锂化石墨负极在接触空气时也容易燃烧。目前使用的锂离子电池主要以石墨基材料作为负极,其嵌锂电位接近金属锂的析出电位,在快速充电时容易造成金属锂析出,常以锂枝晶或锂粉末状态存在,前者会使电池内短路,后者会加速电解液分解或与空气接触发生燃烧。因此,选择合适的电极材料和电解质体系能够在热力学层面从源头为电池安全性提供保障。

  优化电解质体系

  极性有机溶剂电解液难以保障动力锂离子电池的安全性,而现有的离子液体要么电化学窗口不够宽,要么相对分子质量和黏度太大,尚不能完全替代有机溶剂。因此,发展低溶剂或无溶剂的聚合物电解质、无机有机复合电解质或无机固体电解质是提高电池安全性的根本举措。

  杨军课带领的题组以80%高空隙的亲水型聚四氟乙烯薄膜为基底原位交联聚合成功制备了支链带大量环氧乙烷基团的共聚复合多孔膜。这种隔膜有优良的力学和耐热性能,且由于电解液与聚合物作用成为凝胶而不会泄漏,故遇明火也不易燃烧。此外,该凝胶聚合物薄膜的高吸液率也使其具有高的离子电导率。采用该电解质薄膜的Li/LiFePO4和Li/S电池性能接近或优于传统电池。

  杨军指出,虽然低溶剂或无溶剂的聚合物电解质薄膜能够在很大程度上改善电池的安全性能,代表了未来的发展方向,但已经开发的这类薄膜大多在机械强度和锂离子电导率上不能同时满足应用要求,尚需要从材料和技术上取得突破。

  提高负极嵌锂电位

  杨军指出,提高负极的嵌锂电位也能有效改善电池的安全性和循环使用寿命。他表示,与石墨基负极材料相比,能提高电极电位的材料有硬碳、硅、锡、钛酸锂等。在合金负极材料的研究方面中科院物理所和上海交通大学起步较早,也较深入,但仍然处于基础研发阶段,国外也没有真正意义上的产业化。近年来对硅基复合负极材料的研究已经在实验室中使电极的循环性能得到大幅提高,但平均循环效率大多难以超过99.5%,并且一些特殊纳米结构材料难以低成本大规模生产,阻碍了其产业化。

  杨军告诉记者,硅基负极的嵌锂电位比石墨提高约0.15伏。硅的另一大优势是其储锂容量可达石墨的近10倍,但其相应的体积膨胀率也大于300%,致使电子易导电性丧失,容量快速衰减。杨军教授的课题组通过多孔二氧化硅的镁热还原和酸洗工艺制备了3D介孔结构硅材料,结合纳米层碳包覆,较好地解决了此问题。该硅基电极在1C倍率下比容大于1500mAh/g,100次循环后无容量衰减现象。

  零体积效应和高充放电电位的钛酸锂作为负极材料能有极好的电化学可逆性,但在高温下充放电容易产生气体,缩短电池寿命,杨军课题组对影响这类电池胀气的因素,如电解液组成和杂质水含量、电极组成及荷电程度等进行了较为系统的研究,优化了电池性能。 

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