Small Methods: 安全和持久锂离子电池方向的智能材料与设计

随着手机、数码产品、电动汽车的普及,锂离子电池在人们生活当中扮演着越来越重要的角色,其安全问题逐渐成为人们关注的焦点之一。近些年,由于电池引发的燃烧爆炸等事故,给锂离子电池的安全性问题再次敲响了警钟。

    对于锂离子电池存在的安全隐患,需要从多方面采取安全措施。锂离子电池厂商通常采用常见的三种安全设计:1 热封闭隔膜,当出现针刺或挤压时,能够保证隔膜迅速封闭,阻止内部的化学反应;2 正温度系数(PTC)部件,当电池产热到一定温度时,PTC部件随着温度升高而电阻变大,从而减小电流,保障电池安全,类似于保险丝;3 安全阀,当电池内部气压增大,那么安全阀就会爆裂释放内部压力,从而保证电池不会出现爆炸等极端情况。但是,由于这类传统防护措施均属于一次性被动防护手段,一旦启动将使得锂离子电池经历不可逆的容量损失和破坏。这些防护手段一般置于锂离子电池电化学体系之外,很难主动、及时感知各种冲击、碰撞、短路、过热等滥用情况,并做出快速反应。而采用智能材料和智能设计,通过对锂离子电池进行材料和系统层面的设计是更加有效的新型解决方案,不仅可实现基于正负极、隔膜和电解质的材料层级可逆保护,而且可实现基于锂电池器件的智能监控和主动响应。主动防护型的智能可逆保护措施,可有效提高下一代高性能锂离子电池的安全特性。

 通过对于近年来相关研究的分析,中国科学院金属研究所李峰研究员课题组总结了新型智能材料、新型化学及智能结构设计在锂离子电池应用中的最新研究进展,重点讨论了相关材料的结构设计原则与锂电池安全性能和电化学性能之间的关系。

在智能材料的锂离子电池应用方面,主要探讨了能实现可逆多次热响应的智能材料设计,包括PTC复合的锂离子电池正负极、PTC涂层、自修复聚合物及高温下具有离子阻隔效应的功能聚合物和微球等;在新型化学领域,探讨了可逆耐过充添加剂、耐过充锂电池隔膜和阻燃隔膜等,也讨论了能够实现低温环境自加热、枝晶探测和正负极电压分别监控的新型智能结构设计。同时,本文指出智能材料和设计的研究和发展将会使得下一代高性能锂离子电池的开发和应用取得更多的突破。相关论文发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201900323)上,本文的第一作者是中国科学院金属研究所副研究员闻雷。