新型智能电解液:实现电化学储能器件的热失控自我保护

随着人们对电化学储能器件高充放电速率的日益追求,以及大规模集成性储能器件的广泛应用,电化学储能器件的发热控制以及温度调控成为保证器件安全性的新挑战。如果充放电过程中产生的大量热量得不到及时的释放和控制,电化学储能器件的温度将急剧增高,导致热失控甚至引起爆炸,威胁器件的使用寿命甚至人们生产生活的安全。为了实时调控器件温度,传统思路多集中在控制外部连接电路。特斯拉、丰田等电动汽车生产厂商开发了一整套较完善的电池管理系统(Battery Manager System,BMS)用于监控各个电池模块的工作状态。当某个电池工作温度过高时,传感器能检测异常状态并反馈给软件系统,最终切断该电池外部电路,使之停止工作。然而这样的系统成本较高,且需要较长的响应时间。

相比对电化学储能器件施加外部控制,实现器件内部部件的自我调控将会成为避免热失控的可能更为有效的途径。通过设计开发温度响应型的电极、隔膜或者电解液,当温度过高时,这些部件自身能够发生化学或者物理性质的改变,阻碍电子或者离子的传输,从而从器件内部切断工作回路,抑制热量的进一步产生。一些相关的初始方法已经得到了报道,然而它们的缺点也较显著,包括响应温度可调范围小以及不可逆性。即使温度回复到正常范围,储能器件由于永久性的破坏而无法恢复到正常工作状态。

AMyuguihua

近期,德克萨斯大学奥斯汀分校Guihua Yu研究团队研发了一种新型智能电解液,用以实现电化学储能器件在不同温度下的内部自我调控。该智能电解液利用了聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物(PEO-PPO-PEO, 中文商品名为泊洛沙姆,英文商品名为Pluronic)水溶液在温度变化条件下产生可逆性溶液-凝胶(sol-gel)变化的独特性质。当处于正常工作温度时,嵌段共聚物在溶液中以微胶形式分散。该智能电解液表现为溶液态,离子可在其中自由移动,保证储能器件的高性能工作。当热量过度产生,引起温度增高并超过转变阈值时,嵌段共聚物的聚合物链相互缠结。该电解液转变为凝胶态,从而限制离子的移动,直至切断器件的工作,抑制热量的产生。不同于其他智能储能器件,该智能电解液的转变是可逆的,因此当温度回复至正常范围时,储能器件能够继续正常工作。另外,通过调控聚合物的分子量、不同嵌段比例以及浓度等参数,电解液的转变温度以及高温下性能抑制程度均可在大范围内进行调节。该智能电解液适用于不同离子比如Li+和H+,以及不同的活性物质比如碳材料和导电聚合物。利用该智能电解液,Yu课题组实现了超级电容器在不同温度下的性能自我调控。

虽然现阶段基于Pluronic的智能电解液仅适用于水系电解液,但通过替换嵌段聚合物中的高分子链,适用于有机体系的智能电解液将得到开发,并将被用于锂电池、燃料电池等多种电化学储能器件。更为重要的是,该智能电解液可以通过在现有的商业电解液中直接添加相应的嵌段共聚物得到,因此将拥有十分广泛的商业应用前景。

相关文章发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201602239)上。

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