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改善锂电池安全性的两点建议和思路

更新时间:2015-01-22 08:27:26 点击: 编辑:锂辉电池

    动力电池的安全性是决定其最终能否大规模应用的关键。现有锂离子电池的主要安全隐患是电解液易燃易爆和高能电池体系热力学不稳定。选择电池材料和体系需要在电池能量密度和安全性之间寻求平衡,从材料入手改善锂电池安全性。高能量密度锂离子电池需要高输出电压和电极储锂容量。目前电解液主要为有机溶剂,难以承受4.5伏以上的高电压,容易分解产生气体,造成电池气胀、破裂或爆炸。同时,充电状态下的正负极材料本身也很活泼,如钴酸锂之类的正极材料在过充电或受热状态下容易发生结构坍塌,并产生显著的热效应,而含有机溶剂的锂化石墨负极在接触空气时也容易燃烧。目前使用的锂离子电池主要以石墨基材料作为负极,其嵌锂电位接近金属锂的析出电位,在快速充电时容易造成金属锂析出,常以锂枝晶或锂粉末状态存在,前者会使电池内短路,后者会加速电解液分解或与空气接触发生燃烧。因此,选择合适的电极材料和电解质体系能够在热力学层面从源头为电池安全性提供保障。

 

改善锂电池安全性的方法和建议:

一、优化电解质体系
 
    极性有机溶剂电解液难以保障动力锂离子电池的安全性,而现有的离子液体要么电化学窗口不够宽,要么相对分子质量和黏度太大,尚不能完全替代有机溶剂。因此,发展低溶剂或无溶剂的聚合物电解质、无机有机复合电解质或无机固体电解质是提高锂离子电池安全性的根本举措。虽然低溶剂或无溶剂的聚合物电解质薄膜能够在很大程度上改善锂离子电池的安全性能,代表了未来的发展方向,但已经开发的这类薄膜大多在机械强度和锂离子电导率上不能同时满足应用要求,尚需要从材料和技术上取得突破。


 
二、提高负极嵌锂离子电池电位
 
    提高负极的嵌锂电位也能有效改善锂离子电池的安全性和循环使用寿命。与石墨基负极材料相比,能提高电极电位的材料有硬碳、硅、锡、钛酸锂等。在合金负极材料的研究方面中科院物理所和上海交通大学起步较早,也较深入,但仍然处于基础研发阶段,国外也没有真正意义上的产业化。近年来对硅基复合负极材料的研究已经在实验室中使电极的循环性能得到大幅提高,但平均循环效率大多难以超过99.5%,并且一些特殊纳米结构材料难以低成本大规模生产,阻碍了其产业化。目前国内研究出的硅基负极的嵌锂电位比石墨提高约0.15伏。硅的另一大优势是其储锂容量可达石墨的近10倍,但其相应的体积膨胀率也大于300%,致使电子易导电性丧失,容量快速衰减。零体积效应和高充放电电位的钛酸锂作为负极材料能有极好的电化学可逆性,但在高温下充放电容易产生气体,缩短锂离子电池寿命。

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