動(dòng)力電池的安全性是決定其最終能否大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。上海交通大學(xué)教授、電化學(xué)與能源技術(shù)研究所副所長(zhǎng)楊軍日前接受記者采訪時(shí)表示，現(xiàn)有鋰離子電池的主要安全隱患是電解液易燃易爆和高能電池體系熱力學(xué)不穩(wěn)定。選擇電池材料和體系需要在電池能量密度和安全性之間尋求平衡，從材料入手改善鋰電池安全性。
現(xiàn)有電池存安全隱患
楊軍告訴記者，高能量密度鋰離子電池需要高輸出電壓和電極儲(chǔ)鋰容量。目前電解液主要為有機(jī)溶劑，難以承受4.5伏以上的高電壓，容易分解產(chǎn)生氣體，造成電池氣脹、破裂或爆炸。同時(shí)，充電狀態(tài)下的正負(fù)極材料本身也很活潑，如鈷酸鋰之類的正極材料在過充電或受熱狀態(tài)下容易發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌，并產(chǎn)生顯著的熱效應(yīng)，而含有機(jī)溶劑的鋰化石墨負(fù)極在接觸空氣時(shí)也容易燃燒。目前使用的鋰離子電池主要以石墨基材料作為負(fù)極，其嵌鋰電位接近金屬鋰的析出電位，在快速充電時(shí)容易造成金屬鋰析出，常以鋰枝晶或鋰粉末狀態(tài)存在，前者會(huì)使電池內(nèi)短路，后者會(huì)加速電解液分解或與空氣接觸發(fā)生燃燒。因此，選擇合適的電極材料和電解質(zhì)體系能夠在熱力學(xué)層面從源頭為電池安全性提供保障。
優(yōu)化電解質(zhì)體系
極性有機(jī)溶劑電解液難以保障動(dòng)力鋰離子電池的安全性，而現(xiàn)有的離子液體要么電化學(xué)窗口不夠?qū)挘聪鄬?duì)分子質(zhì)量和黏度太大，尚不能完全替代有機(jī)溶劑。因此，發(fā)展低溶劑或無溶劑的聚合物電解質(zhì)、無機(jī)有機(jī)復(fù)合電解質(zhì)或無機(jī)固體電解質(zhì)是提高電池安全性的根本舉措。
楊軍課帶領(lǐng)的題組以80%高空隙的親水型聚四氟乙烯薄膜為基底原位交聯(lián)聚合成功制備了支鏈帶大量環(huán)氧乙烷基團(tuán)的共聚復(fù)合多孔膜。這種隔膜有優(yōu)良的力學(xué)和耐熱性能，且由于電解液與聚合物作用成為凝膠而不會(huì)泄漏，故遇明火也不易燃燒。此外，該凝膠聚合物薄膜的高吸液率也使其具有高的離子電導(dǎo)率。采用該電解質(zhì)薄膜的Li/LiFePO4和Li/S電池性能接近或優(yōu)于傳統(tǒng)電池。
楊軍指出，雖然低溶劑或無溶劑的聚合物電解質(zhì)薄膜能夠在很大程度上改善電池的安全性能，代表了未來的發(fā)展方向，但已經(jīng)開發(fā)的這類薄膜大多在機(jī)械強(qiáng)度和鋰離子電導(dǎo)率上不能同時(shí)滿足應(yīng)用要求，尚需要從材料和技術(shù)上取得突破。
提高負(fù)極嵌鋰電位
楊軍指出，提高負(fù)極的嵌鋰電位也能有效改善電池的安全性和循環(huán)使用壽命。他表示，與石墨基負(fù)極材料相比，能提高電極電位的材料有硬碳、硅、錫、鈦酸鋰等。在合金負(fù)極材料的研究方面中科院物理所和上海交通大學(xué)起步較早，也較深入，但仍然處于基礎(chǔ)研發(fā)階段，國(guó)外也沒有真正意義上的產(chǎn)業(yè)化。近年來對(duì)硅基復(fù)合負(fù)極材料的研究已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中使電極的循環(huán)性能得到大幅提高，但平均循環(huán)效率大多難以超過99.5%，并且一些特殊納米結(jié)構(gòu)材料難以低成本大規(guī)模生產(chǎn)，阻礙了其產(chǎn)業(yè)化。
楊軍告訴記者，硅基負(fù)極的嵌鋰電位比石墨提高約0.15伏。硅的另一大優(yōu)勢(shì)是其儲(chǔ)鋰容量可達(dá)石墨的近10倍，但其相應(yīng)的體積膨脹率也大于300%，致使電子易導(dǎo)電性喪失，容量快速衰減。楊軍教授的課題組通過多孔二氧化硅的鎂熱還原和酸洗工藝制備了3D介孔結(jié)構(gòu)硅材料，結(jié)合納米層碳包覆，較好地解決了此問題。該硅基電極在1C倍率下比容大于1500mAh/g，100次循環(huán)后無容量衰減現(xiàn)象。
零體積效應(yīng)和高充放電電位的鈦酸鋰作為負(fù)極材料能有極好的電化學(xué)可逆性，但在高溫下充放電容易產(chǎn)生氣體，縮短電池壽命，楊軍課題組對(duì)影響這類電池脹氣的因素，如電解液組成和雜質(zhì)水含量、電極組成及荷電程度等進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，優(yōu)化了電池性能。
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