高功率鋰動力電池的安全技術(shù)探討

王景輝

（深圳市中泰盛科技有限公司，廣東 深圳 518043）

隨著社會的發(fā)展，當(dāng)前各個(gè)行業(yè)都對于能源產(chǎn)生了極高的需求，而鋰離子電池在當(dāng)前已經(jīng)成為了各種電子產(chǎn)品所必備的一項(xiàng)，同時(shí)也在新能源領(lǐng)域得到了應(yīng)用，原因主要是因?yàn)殇囯x子電池具有著高比能的特點(diǎn)。而高功率鋰動力電池作為一種動力、儲能的電池，其比功率、可靠性、比能量、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、環(huán)境適應(yīng)性以及循環(huán)穩(wěn)定性等都會嚴(yán)重的影響到自身的商業(yè)化程度。而高功率鋰動力電池自身的安全性則直接的決定了其是否能夠在動力、儲能等相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。高功率鋰動力電池體系中在電氣復(fù)雜的應(yīng)用條件下，具有許多的危險(xiǎn)，例如，燃燒、爆炸等。所以，這在一定程度上導(dǎo)致高功率鋰動力電池的發(fā)展收到了制約。雖然為了解決高功率鋰動力電池的安全性問題，提出了一些解決措施，但沒有從根本上解決[1]。

1 過充安全保護(hù)技術(shù)

（1）電氧化聚合電解液添加劑

電氧化聚合電解液添加劑保護(hù)原理為：將某種可氧化聚合的單體添加在電解液內(nèi)，等到電池過充為一定電壓時(shí)，單體分子在此時(shí)會在電池陰極表面出現(xiàn)電氧化聚合，并且會產(chǎn)生聚合物表面層，而該層是一種絕緣狀態(tài)，隨之還會出現(xiàn)陰極活性表面、內(nèi)孔封閉等情況，然后實(shí)現(xiàn)內(nèi)部離子傳輸、阻塞電極反應(yīng)的目的，使鋰動力電池內(nèi)部出現(xiàn)短路，最終避免發(fā)生電池不安全行為。因?yàn)閷?dǎo)電聚合物本身具有著電阻，因此短路方式會仙姑地比較的溫和，能夠?qū)㈦姵刂兴械哪芰鶆虻尼尫懦鰜?，使電池可以保持在一個(gè)安全的狀態(tài)下。同時(shí)，在進(jìn)行聚合的過程中，會產(chǎn)生微量的氫氣，可以有效地提升電池安全閥的靈敏性[2]。

（2）氧化還原電對穿梭劑

這一原理為:將具有一定高度氧化還原可逆性的電對加入到電解液中，并且等到電池在正常的充放電電壓時(shí)，電對添加劑分子在此時(shí)并不會與其他的電極發(fā)生，并且其狀態(tài)還會是處于本征的還原態(tài)。而電池在進(jìn)行充電時(shí)，電壓如果已經(jīng)處于電對的氧化電勢，那么在此時(shí)進(jìn)行正極還原態(tài)電對，將會導(dǎo)致電子被電化學(xué)氧化成氧化態(tài)，并開始向著負(fù)極擴(kuò)散。對其進(jìn)行反復(fù)的氧化操作，能夠?qū)⑴月返敉獠康某潆婋娏鬟€原，并將電壓進(jìn)行局限，使其處于某一個(gè)范圍之內(nèi)，避免高功率鋰動力電池出現(xiàn)電壓失控[3]。

（3）電壓敏感隔膜

這也是一種過充保護(hù)的方式，并且還是可逆的，該方式的思路在于:采用電活性聚合物來制作隔膜骨架，在一個(gè)充放電正常的范圍內(nèi)，隔膜會是絕緣態(tài)，是利用隔膜微孔進(jìn)行離子液相傳導(dǎo)。在電池發(fā)生電池過充后，將會伴隨著充電電壓的升高而隨之升高，電池的正極電位在此時(shí)也會隨之提升，并且速度十分快，在達(dá)到聚合物材料的氧化電位時(shí)，聚合物在此時(shí)會出現(xiàn)氧化摻雜，并且還會轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮訉?dǎo)體，出現(xiàn)短路等各種問題。過充電流則會通過隔膜阻止電極材料發(fā)生更多的反應(yīng)，避免出現(xiàn)電解液氧化分解的情況，達(dá)到保護(hù)電池的最終目的。電池過充如果一旦停止，那么在電壓內(nèi)部短路后，將會發(fā)生降低，當(dāng)?shù)偷揭欢ǔ潭鹊臅r(shí)候，電壓敏感隔膜會隨之轉(zhuǎn)變，并逐漸的恢復(fù)為正常隔膜功能[4]。

所以，通過不同電勢，導(dǎo)電聚合物的絕緣態(tài)-導(dǎo)電態(tài)將會產(chǎn)生可逆轉(zhuǎn)變，如果以此為根據(jù)開展設(shè)計(jì)的話，可以擁有一個(gè)良好的電壓開關(guān)性質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)電池可逆過充保護(hù)的最終目的。

2 熱控制技術(shù)

為了避免電池出現(xiàn)熱失控，所以設(shè)計(jì)出一種自激活熱阻斷功能的過充保護(hù)措施，也就是溫度敏感電極。其原理為:將一層具有PTC效應(yīng)的材料嵌入在電極活性物涂層與集流體之間，使電極產(chǎn)生PTC效應(yīng)。這樣能夠使電極可以根據(jù)自身的溫度變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，并將自我限流功能及時(shí)啟動，可以為電池的熱失控提供現(xiàn)場保護(hù)[5]。

PTC材料擁有著合適的阻變溫度，同時(shí)還具有升阻比和化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，而上述結(jié)構(gòu)中的PTC電極可以以溫度變化為根據(jù)，對于電機(jī)電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此具有自激活溫度開關(guān)的能力。但是，這種PTC電極僅對于因?yàn)檫^充或短路造成的溫升可以產(chǎn)生效果，而因?yàn)榇┐?、?fù)極析鋰、擠壓等原因所產(chǎn)生的熱失控，則無法獲得良好的效果。因?yàn)橥繉雍图黧w之間的PTC薄層無法切斷正負(fù)極之間的電子傳導(dǎo)，所以，使用PTC涂層均勻包覆電極活性材料表面，是一種有效的熱控制方式?？梢允够钚圆牧献陨懋a(chǎn)生熱敏感功能，從而可以感受到溫度。PTC薄層非常致密并具有鋰離子傳導(dǎo)功能的話，那么在不對電池正常充放電產(chǎn)生影響的前提條件下，能夠?qū)⒚舾袦囟认碌乃须姌O表面進(jìn)行封閉，以此來處理熱失控。但實(shí)現(xiàn)這一目的的最重要的是擁有可以滿足原理要求的PTC材料。

3 總結(jié)

綜上所述，解決高功率鋰動力電池安全性問題的唯一途徑就是發(fā)展自激發(fā)安全保護(hù)技術(shù)但是這是一項(xiàng)十分艱苦的工作。但是，經(jīng)過多年以來的不斷發(fā)展和探索，在當(dāng)前的相關(guān)方面已經(jīng)或得了顯著的進(jìn)展。在其中的過充保護(hù)方面，可聚合單體添加劑已經(jīng)正式的進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用中，并且電壓敏感隔膜、氧化還原電對穿梭劑都已經(jīng)或得了良好的效果。但是，當(dāng)前在熱控制方面的研究工作相較于其他方面，研究比較少，并且思路也更為單一性，還需要加強(qiáng)對此的研究。