如何保證鋰電安全性和壽命等性能，更智能的自適應電池設計可以！

隨著鋰電池在全球市場的普及，每年有數十億只鋰電池被加工出來，并進入到消費者手中。鋰電池在為我們生活帶來巨大的便利的同時，也隱藏著眾多的安全隱患等問題。近年來，隨著智能化浪潮的發展，越來越多的設備都朝著的智能化方向的發展，例如電視、音箱、汽車等等，它們能夠依據環境、用戶使用習慣等方面，不斷的提高自己，實現自我進化，改善用戶的使用體驗。

關于鋰電池而言，在使用過程中可能會面對不同的使用環境的考驗，有些使用場景可能會對鋰電池形成較大的挑戰。我們希望鋰電池能夠更加智能一些，能夠依據使用環境及時對鋰電池使用策略進行調整，一方面保證鋰電池的安全性，一方面也能保證鋰電池性能和使用壽命。

1.智能自我保護

鋰電池的自我保護是鋰電池的最基本的功能，目前鋰電池包的BMS系統基本上都能夠實現溫度保護、電流保護等功能，但是這都是在系統層級上的保護，而關于鋰電池的智能化設計可以實現鋰電池層面的自我保護，例如在電池內新增額外的感應電極、新增溫度反饋智能材料，通過在鋰電池內新增一些智能結構和材料，從而實現鋰電池智能化設計。

1.1防內短路設計

內短路是影響鋰電池安全性的嚴重問題，由于鋰枝晶、多余物等導致的鋰電池內短路，往往會引起嚴重的安全問題。

為知道決鋰枝晶生長導致的內短路事故，人們設計了多種辦法監控鋰電池內部鋰枝晶的生長。例如Wu等人設計的多功能隔膜，這種隔膜在傳統的聚合物隔膜中間還加入了一層金屬，這層金屬充當了鋰枝晶檢測器的功能，通過監測這層金屬與負極之間的電壓差，就可以實現對鋰枝晶的監控，使得該隔膜即保留了傳統隔膜的功能，也實現對鋰枝晶的監控。斯坦福大學的KaiLiu三層復合多功能隔膜，改隔膜的特點是隔膜的中間層加入了SIO2，當鋰枝晶生長到一定程度時，穿刺隔膜時，SIO2會與金屬鋰發生反應，消耗鋰枝晶，從而戒備鋰枝晶的進一步生長。

1.2智能戒備鋰電池過熱

鋰電池倘若發生過熱（如外部加熱、短路過程自放熱等）會引起隔膜收縮，引起正負極短路，進而導致熱失控發生。傳統的PP-PE-PP復合隔膜在較低的溫度下，能夠實現自動閉孔功能，從而切斷正負極的反應，達到抑制電池過熱的效果，但是倘若溫度過高，PP層也發生收縮時，這種三層復合隔膜也就失效了。

為知道決鋰電池在過熱情況下的安全性問題，Yim等人設計一款能夠保護鋰電池過熱情況下安全的電解液添加材料。我們都知道一般的電解液阻燃劑都會對鋰電池的性能造成嚴重影響，因此難以在實際中的使用。而Yim等降阻燃劑裝入了獨立的小膠囊之中，這些膠囊的外壁材料在電解液中非常穩定，因此正常狀況下不會對鋰電池性能出現影響。當溫度超過70攝氏度時，在阻燃劑DMTP的蒸汽壓的用途下，引起外殼的破碎，將阻燃劑釋放到電解液之中，導致電解液的電導率急劇下降，阻止電池內進一步發生反應。

上述的辦法對鋰電池的保護是一次性的，即一旦保護機制啟動，則意味著整個電池失效。為知道決上述問題，Yang等人設計了一種能夠多次啟動的保護措施，該辦法的特點是采用能夠在溫度的影響下，進行可逆的溶膠-凝膠轉變的智能電解液。該款電解液緊要由PNIPAM/AM構成，當溫度超過轉變溫度時，PNIPAM會由親水性轉變為憎水性，從而極大的抑制離子在其中的擴散。緊要的是，在溫度降低時該反應完全可逆，因此可以實現對電池的多次保護，該技術可以使用水系超級電容器上，保護電容器的安全。

2.智能自我修復

隨著鋰電池的普及，鋰電池面對的各種傷害的機會也在不斷新增，倘若鋰電池能夠實現像生物體那樣的自我修復功能，這關于延長鋰電池的使用壽命，降低鋰電池的安全風險就有非常緊要的意義。

2.1外界損傷的自我修復

具有自我修復功能的電池其實不有哪些全新的概念，例如Li-I電池，其隔膜實際上就是Li與I的反應產物LiI，因此在隔膜損壞后，Li與I發生接觸，反應產物LiI就實現了對隔膜的修補。

現代意義的自我修復功能鋰電池，更多的是基于多功能材料實現的，例如Wang等人設計的自修復功能的超級電容器，其緊要是由超分子材料形成的網構成，材料內眾多的氫鍵使得材料在面對機械損傷時具有自我修復的特性。在50攝氏度下，材料被切斷后，能夠在5min之內自我愈合。

上述的自愈合設計緊要是針對水系超級電容器，自愈合鋰電池的設計還面對不小的挑戰，這很大程度是因為鋰電池的有機電解液暴漏在空氣之中，會嚴重的影響鋰電池的性能，因此自愈合鋰電池設計還要依靠電解液的繼續改進。

2.2形狀記憶能力

隨著可穿戴設備的普及，傳統的硬殼結構的鋰電池已經無法滿足實際使用的需求，因此能夠在受到外力（如熱、電磁力、壓力等）發生形變后，能夠恢復初始設計形狀，就成為了特種鋰電池的需求。Yan等人利用形狀記憶合金TiNi設計的具有形狀記憶能力的超級電容器，TiNi合金的相變溫度為15攝氏度，而人體皮膚表面的溫度約莫在35攝氏度左右，因此該電容器能夠在人體體溫的用途下恢復到初始的形狀，自動纏繞在手腕上。

倘若把上述的形狀記憶合金TiNi做成纖維狀，還能夠制成多種形狀的具有形狀記憶功能的電池。這一功能在航天范疇有著很好的使用前景，在發射之前，首先在較低的溫度下，將電池折疊盡量縮小體積，進入太空后，恢復溫度，則電池自動回復其初始形狀，并且在整個過程中電池的電性能不受任何影響，這將極大的提升航天發射的效率。

智能化浪潮是一個不可逆的趨勢，鋰電池的智能化發展將是一個非常緊要的方向，隨著材料和設計技術的不斷進步，相信我們在將來將能夠見證更加智能、更加人性化的蓄電池的誕生。

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