怎么降低鋰電池熱失控風險？

當前引發鋰電池熱失控的因素多種多樣，總結起來緊要有過熱、過充、內短路、碰撞等引起的發熱失控。要怎么樣提高電池的安全性，把熱失控的風險降至最低成為人們研究的重中之重。關于單電池來說，其安全性除了與正極材料相關外，還與負極、隔膜、電解液、粘結劑等其他電池包成部分有著很大關系。下面展開講述研究者們是要怎么樣在電池材料上降低電池熱失控風險，提高鋰電池安全性。

一、正極材料

出于安全性考慮，正極材料要與電解液的相容性和穩定性好。常見的正極材料在溫度低于650℃時是相比較較穩定的，充電時處于亞穩定狀態。在過充的情況下，正極的分析反應及其與電解液的反應放出大量熱量，造成爆炸。鈷酸鋰、鎳酸鋰的熱穩定都比較差，鎳鈷錳酸鋰三元材料由于其比容量高、具有較高的比能量密度，成為當下正極材料的理想之選。然而三元材料中鎳的含量較高，材料的循環性能難以保證，熱穩定性較差。

富鎳正極材料在高電壓(>4.3V)和高溫(>50℃)下循環過程中發生結構坍塌導致二次顆粒繼續出現微裂縫。這些微裂縫斷開一次顆粒之間的電通路，在相轉變過程中釋放氧氣，導致電化學性能變差。JaephilCho教授課題組[1]通過對一次顆粒進行納米表面修飾來克服富鎳正極材料的上述問題，經過解決的一次顆粒表面復含鈷，通過抑制從分層結構到巖石鹽結構的變化來緩解微裂紋出現。而且，表面高氧化態的Mn4+在高溫下能夠降低氧氣的釋放，改善結構穩定性與熱穩定性。SangKyuKwark等人[2]提出一種提高鋰電池正極穩定性的辦法，先采用經典的煅燒辦法制備出NCA材料，然后將NCA浸入到醋酸鋰和醋酸鈷的混合溶液中，進一步攪拌、蒸干、煅燒得到改進的正極材料。有趣的是該辦法制備的NCA顆粒之間填充著一層尖晶石構型的鈷酸鋰晶體Glue-layer(G-layer)，能夠將NCA顆粒緊密的連接在一起，起到膠水的用途。可以提高顆粒之間的機械強度，保護活性粒子不穩定的表面，從而加強電極的穩定性。

Prof。YingjieZhu和XianluoHu合作[3]，采用羥基磷灰石超長納米線、科琴黑納米顆粒，碳纖維和磷酸鐵鋰粉末作為原料，通過簡單的靜電輔助自組裝的辦法成功的制備了一種既可以耐高溫、又具有活性物質高負載量的新型磷酸鐵鋰復合電極(UCFR-LFP)，可以作為鋰電池正極(圖1)。在自組裝和抽濾的過程中，磷酸鐵鋰納米顆粒平均得分散在高導電性且多孔的羥基磷灰石超長納米線/科琴黑納米顆粒/碳纖維基底中，從而形成自支撐、具有神奇復合多孔結構的磷酸鐵鋰耐高溫正極材料，其具有優異的熱穩定性和耐火性，即使在1000℃的高溫下也能保持其電化學活性和結構完整性。

二、負極材料

負極材料的熱穩定性與負極材料的種類、材料顆粒的大小以及負極所形成的SEI膜的穩定性有關。如將大小顆粒按一定配比制成負極即可達到張大顆粒之間接觸面積，降低電極阻抗，新增電極容量，減小活性金屬鋰析出可能性的目的。SEI膜形成的質量筆直影響鋰電池的充放電性能與安全性，將碳材料表面弱氧化，或經還原、摻雜、表面改性的碳材料以及使用球形或纖維狀的碳材料有助于SEI膜質量的提高。處理碳負極材料安全性的辦法緊要有降低負極材料的比表面積、提高SEI膜的熱穩定性。

三、隔膜

Prof。ZhenanBao和YiCui強強聯合[4]，報道了一種可有效戒備鋰電池過熱起火的新技術，他們想在情況不可收拾之前封閉電池，通過在鋰電池中新增一個熱敏高分子聚合物薄膜開關材料，當電池溫度過高就會迅速切斷電池內電路，使之降溫；當溫度降至正常，該聚合物薄膜又能恢復正常狀態，讓電池重新工作(圖2)。他們將具有石墨烯涂層的鎳鈉米粒子嵌入聚乙烯材料中，制備出一種輕薄又具有柔性的導電塑料薄，用這種聚合物膜組裝成的鋰電池，在正常的工作溫度下，電流很容易通過薄膜，電池可以正常充電和放電，但是當電池的溫度升高到70℃時，聚乙烯開始膨脹，推動鎳納米粒子彼此分開，這樣隔膜的導電性在短短的1s之內就會降低1000億倍，電池中的電荷移動停止，從而使電池的溫度下降。而且，當溫度低于這種聚合物70℃時，該聚合物可以很容易的恢復到原來的構型，導電性也恢復正常，恢復電池功能。

Prof。XianluoHu和YingjieZhu等人[5]成功的研發出一種新型羥基磷灰石超長納米線基耐高溫鋰電池隔膜，該電池隔膜除了具有柔韌性高、力學強度好、孔隙率高、電解液潤濕和吸附性能優良的特點外，更緊要的是熱穩定性高、耐高溫、阻燃耐火，在700℃的高溫下仍可保持其結構完整性。采用羥基磷灰石超長納米線基耐高溫電池隔膜組裝的電池在150℃高溫環境中能夠保持正常工作狀態，并點亮小燈泡，而采用PP隔膜組裝成的電池在150℃高溫下很快發生短路，可以有效提高鋰電池的工作溫度和安全性。

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