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安全为先：锂离子电池安全性提升的多维度策略解析

科技 2024-10-28 22:41 浙江

锂离子电池的应用及安全问题：锂离子电池因高能量密度、高输出功率和高平均输出电压等优点被广泛应用，但每年都有因电池故障引发的事故，然而很少有人主动了解安全风险，因此识别和减轻锂电池安全危害至关重要。

文章的主要内容：首先分析了热失控现象并讨论了各种监测系统，接着强调了光纤布拉格光栅传感器（FBG）在实时检测电池数据中的应用，最后总结了用于减少锂电池安全问题的方法，包括电极表面涂层、电解质、隔膜的使用以及抑制锂枝晶生长。这些内容对未来锂电池安全研究具有参考价值。

1.简介

锂离子电池的应用及安全问题凸显：可再生能源发展是时代趋势，电池在生活中无处不在，锂离子电池应用广泛且对新能源领域发展关键，但近年来其过热问题影响电动汽车发展，电池安全受关注。

文章的研究方向和目的：科学家采用多种技术提高锂离子电池安全性，目前电池热失控预测和预警方法的安全监测研究是热门方向，文章旨在总结相关先进方法并介绍最新研究进展。

2.目前提高安全系数的方法

安全事故原因：锂电池在不当使用（如过充、过热、撞击、短路）时，温度异常升高，引发内部化学反应，产生气体、烟雾，安全阀打开，热量进一步升高温度，可能导致燃烧或爆炸。

提高安全性的途径：主要有监测和避免安全事故、升级电池结构或更换有问题的元件两种途径。

提高锂离子电池安全性的具体方法

预防热失控

热失控原理：电池内部材料放热反应使电池迅速升温，释放化学能。多种因素可致过热，如结构变形、短路、过充、组件老化、冷却系统故障等。电池能量密度高且使用易燃电解质增加了热失控风险。

冷却系统：科学家开发了电池热管理系统（BTMS），包括空气冷却和液体冷却系统，但都有缺点。混合冷却系统综合两者优点，可更好地调节和管理电池散热，具体选择应根据情况而定。

表1.空气、液体和混合冷却BTMS的比较

光纤布拉格光栅传感器（FBG）

监测原理：通过实时监测电池多种症状预防安全危险。现代方法多通过监测热流或检测电极开裂等间接反映电池状态，而FBG传感器能直接或间接测量电池内外温度和应变反应，通过光纤携带的光与周围化学环境的相互作用研究电解质降解。

优势：FBG传感器具有微创、抗电磁干扰和绝缘等特性，在高温高压下仍能准确提供数据，当指标达到临界值时可及时调整或终止电池操作，提高电池使用安全性。

表2.FBG的指标表

改进电池隔膜以稳定电池

隔膜作用及设计挑战：隔膜是电池中防止正负极直接接触并容纳电解质以促进离子移动的物理屏障，设计需平衡机械耐久性和孔隙率或传输性能，在大型电池系统中使用是挑战。

改进方法：当前研究主要改进商业聚烯烃（PP）隔膜，如涂层或接枝有机/无机化合物，用耐热化合物处理表面。还可利用静电纺丝技术制造纳米纤维隔膜，其材料可增强热稳定性，添加亲水性材料可提高性能并抑制锂枝晶生长。

不可燃聚合物电解质

传统电解质问题及改进方向：传统电解质在极端条件下可能热失控，导致氧化、电极材料混合甚至爆炸。改进需综合考虑电解质和电极的物理化学性质及稳定性，固体聚合物电解质（SPEs）是未来趋势，其无泄漏、机械强度高且稳定，可减少电极材料体积变化。

表3.SPE的类型及其特征

SPEs的特点及阻燃剂：不同SPEs有不同优势，如聚环氧乙烷SPEs导电性高、可调节尺寸等；聚硅氧烷SPEs热稳定性好、不可燃等。多数SPEs需添加阻燃剂，无机材料阻燃剂更安全且成本低，可提高SPEs性能并抑制锂枝晶生长，但SPEs研究较新，应用有限，商业电解质仍无法被替代。

表4.不同的阻燃剂及其性能

抑制锂枝晶生长

锂枝晶形成及危害：锂枝晶由锂离子在正负极迁移过程中不均匀沉积引起，可导致电极膨胀、库仑效率降低、电池容量下降和安全性能恶化，最终导致电池失效。

抑制方法：从电解质和锂金属负极两个方向抑制。电解质中添加添加剂可增强固体电解质界面（SEI）层功能，如锂多硫化物和硝酸锂可有效抑制锂枝晶形成；从电极角度，三维结构的锂负极可减少负极体积变化，如石墨烯复合电极等。还有一些新型SEI层也能有效抑制锂枝晶生长。

表面涂层电极法

表面涂层作用及应用：表面涂层是保护阴极、提高阴极材料热稳定性的主要技术，可抑制相变并提高材料导电性。镍钴锰三元（NMC）阴极材料采用表面涂层技术可改善微观结构、电化学性能、热导率、离子扩散系数和热稳定性等，减少内部结构损伤，增加循环稳定性，防止金属离子浸出。

具体方法及效果：如采用“涂层 + 灌注”合成方法在室温下对特定材料涂层，或在低温下用溶胶 - 凝胶技术在正极表面创建均匀涂层，都能显著提高循环稳定性。

表5.表面涂层技术对锂离子电池的影响

3.总结

方法分类：提高锂离子电池安全性的方法可大致分为两类，一类是实时监测电池参数作为预警系统防止安全事故，另一类是改进电池内部材料或结构。

具体措施及效果

第一类中，电池热管理系统（BTMS）可防止热失控，混合BTMS冷却效果最佳，但结构复杂、成本高。光纤布拉格光栅（FBG）传感器可实时监测电池温度、应变和压力，能快速识别过热或异常情况。
第二类中，研究人员通过改进隔膜、电解质、抑制锂枝晶生长和对阴极表面进行处理等方法提高了锂离子电池的安全性。

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