鉅大LARGE | 點擊量：810次 | 2022年01月05日
新型熱失控抑制劑提升充電鋰電池安全性
鋰離子電池作為在我們生活中最為常見的化學(xué)儲能電源，其安全性是我們永恒的關(guān)注點。為了提升鋰離子電池的安全性，人們新增了電池控制電路(BMS)用來控制電池充放電，防止鋰離子電池因過充、過放引起的安全風(fēng)險。
在鋰離子電池結(jié)構(gòu)設(shè)計上人們采用了三層復(fù)合隔膜和陶瓷涂層隔膜，來提升鋰離子電池在高溫情況下的安全性。
但是仍然有一類安全風(fēng)險即便是做了萬全的安全設(shè)計，仍然難以防止，這就是機械濫用導(dǎo)致的鋰離子電池?zé)崾Э?，例如在鋰離子電池遭受外部機械壓力，導(dǎo)致電池變形或者被刺穿，引起正負極短路，整個鋰離子電池的電量都通過短路點在短時間內(nèi)釋放，會在短路點出現(xiàn)極高的溫度，導(dǎo)致正極活性物質(zhì)分解，釋放出氧化性機極強的游離氧，進一步氧化電解液，大量產(chǎn)熱，最終導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生熱失控，引起起火和爆炸。
更為嚴重的是，假如熱失控是發(fā)生在電池組內(nèi)的一個電池上，熱失控電池釋放出的高溫，會導(dǎo)致熱失控在電池組內(nèi)部蔓延，引發(fā)嚴重的后果。
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符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
因此，如何防止鋰離子電池發(fā)生熱失控和如何抑制熱失控在電池組內(nèi)部蔓延就成為了人們關(guān)注的焦點，例如在前一篇文章中，我們就介紹了一種填充在電池組內(nèi)部，用于抑制熱失控電池組內(nèi)蔓延的相變復(fù)合材料pCC。
而今天要給大家介紹的是一種添加在電池內(nèi)的熱失控抑制劑，該材料的重要用途是當鋰離子電池在發(fā)生機械濫用的情況下，能夠在電池內(nèi)部及時釋放，從而抑制熱失控的發(fā)展。
研究顯示，通過在電池內(nèi)添加4%的抑制劑，就可以將電池在穿刺實驗中的最高溫度降低50%，而且該材料對電池的循環(huán)性能影響微乎其微，該研究成果最近由加州大學(xué)圣地亞哥分校的YangShi等人發(fā)表在JpS期刊上。
一般來說一些傳統(tǒng)的電解液阻燃劑雖然能夠能新增鋰離子電池的安全性，但是卻會嚴重的降低鋰離子電池的循環(huán)性能，為了解決這一問題，YangShi等人利用了膠囊結(jié)構(gòu)，將熱失控抑制劑DBA(二芐胺)用膠囊結(jié)構(gòu)進行包裹，放入到電池內(nèi)部，在電池收到外部的機械壓力時，會導(dǎo)致膠囊結(jié)構(gòu)被破壞，釋放出熱失控抑制劑，從而短時間內(nèi)抑制熱失控的發(fā)生。
試驗中采用了LIR-2450扣式電池進行了測試，在針刺試驗中，添加DBA的實驗組電池溫升為40攝氏度，而對照組試驗電池的溫升則達到了75攝氏度，通過添加DBA使得在機械濫用導(dǎo)致的熱失控中電池溫升降低了50%左右。
通過計算可以發(fā)現(xiàn)，實驗組電池在熱失控中釋放的熱量為0.15Wh，而對照組電池在熱失控中則釋放了0.23Wh的熱量，通過在電池中添加4%的DBA使得電池在熱失控中電池產(chǎn)熱降低了1/3左右。
在擠壓試驗中，YangShi將電芯重量5%DBA裝入到鋁塑膜袋中，并裝入到電池中，在電池遭受擠壓的變形時，鋁塑膜破裂將DBA釋放到電解液中，試驗結(jié)果顯示，通過在電池中添加DBA抑制劑，使得電池在擠壓導(dǎo)致的熱失控過程中，電池溫升降低了50%左右，這和針刺試驗的結(jié)果是一致的。
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為了揭示DBA在鋰離子電池中的工作原理，YangShi還研究DBA和正負極之間的反應(yīng)活性，試驗發(fā)現(xiàn)，DBA可以和滿電態(tài)的正極發(fā)生反應(yīng)，在正極表面形成固體-電解質(zhì)膜，使得電荷交換的阻抗增大。
對電解液的離子電導(dǎo)率測試發(fā)現(xiàn)，DBA的加入使得電解液的電導(dǎo)率大幅的下降，純的電解液的電導(dǎo)率為9.23mS/cm，在電解液中添加5%和10%的DBA后電解液的電阻率就下降到了7.59mS/cm和6.38mS/cm。測試Li+在電解液中的遷移數(shù)，在對照組中，Li+的遷移數(shù)為0.48，而添加5%DBA的實驗組電解液，Li+的遷移數(shù)則只有0.23。
從上述分析結(jié)果可以看出，通過在電解液中添加DBA，使得電荷交換阻抗新增，電解液離子電導(dǎo)率下降，Li+遷移數(shù)下降，總的來說就是抑制了Li+在正負極之間遷移，從而減少熱量的出現(xiàn)。
YangShi工作為鋰離子電池?zé)崾Э仡A(yù)防供應(yīng)了新的思路，特別是通過將DBA密封在鋁塑膜之中，既能夠在發(fā)生機械濫用的時候及時將DBA釋放到電解液中，通過新增正極的電荷交換阻抗，降低電解液的離子電導(dǎo)率和降低Li+遷移數(shù)，從而達到降低短路電流的目的，研究顯示4%的添加量就可以將熱失控溫度降低50%左右。DBA采用鋁塑膜包裝另外一個優(yōu)勢是，在正常情況下，DBA不會釋放到電解液中，因此不會對電池的循環(huán)性能出現(xiàn)影響。
