鋰離子電池針刺安全性提高的方法-貝爾試驗(yàn)箱

小編通過(guò)引用網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn)，針對(duì)鋰離子電池針刺機(jī)理及安全性改善，從影響鋰離子電池針刺安全性的因素、提高鋰離子電池針刺安全性的方法及作用機(jī)理、鋰離子電池針刺引發(fā)熱失控的機(jī)理研究三個(gè)方面總結(jié)歸納了國(guó)內(nèi)外最近的研究進(jìn)展，梳理了針刺機(jī)理的研究思路，以期為鋰離子電池的安全設(shè)計(jì)提供參考。

2、提高鋰離子電池針刺安全性的方法

提高鋰離子電池針刺安全性的方法包括：降低鋰離子電池的容量/荷電態(tài)、增大接觸電阻、材料優(yōu)化等。由于降低容量/荷電態(tài)等不能從根本上改善鋰離子電池的針刺安全性，因此需要通過(guò)材料優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其針刺安全性。

2.1隔膜優(yōu)化

Y.M.Deng等采用粘性層+陶瓷層隔膜，由于粘性涂層的作用，隔膜在加載力的方向具有較好的延展性，因此，針刺時(shí)能夠部分填充針孔，在一定程度上阻止正負(fù)極短路。類似地，B.Jung等的研究表明，通過(guò)在PE基膜表面涂覆非水性陶瓷層，如Al2O3、Mg(OH)2，能夠提高隔膜耐熱溫度至200℃，減小內(nèi)短路時(shí)的熱收縮，從而提高針刺安全性。其中，涂覆Mg(OH)2的隔膜延展性更好，而涂覆Al2O3的隔膜脆性較大，前者在針刺點(diǎn)附近更不易破碎，因此，針刺熱失控風(fēng)險(xiǎn)降低。

J.H.Chen等采用玻璃纖維與聚丙烯酸酯制成復(fù)合隔膜(GFP)，熱穩(wěn)定性顯著提升，350℃保持30min，無(wú)熱收縮。與PE隔膜相比，采用GFP隔膜制成的鋰離子電池針刺安全性顯著提升，同時(shí)與電解液浸潤(rùn)性改善，功率和壽命提升。

綜上所述，采用功能型隔膜設(shè)計(jì)，一方面提高了隔膜的耐溫性，減小針刺點(diǎn)附近的隔膜熱收縮，從而降低針刺內(nèi)短路產(chǎn)熱;另一方面，通過(guò)功能涂層提高隔膜的延展性，在一定程度上降低正負(fù)極短路程度，也可以提高針刺安全性。

2.2集流體優(yōu)化

針刺時(shí)，在集流體上產(chǎn)生放射狀裂紋，使極片分裂成花瓣?duì)畹呐h，當(dāng)隔膜失效時(shí)，正負(fù)極的劈鋒會(huì)互相接觸，形成內(nèi)短路。因此，通過(guò)減少劈鋒的數(shù)量，可以抑制內(nèi)短路。M.Wang等采用光刻等方法，在集流體上刻蝕特定規(guī)則形狀的圖案，對(duì)電池容量、循環(huán)影響不大，在針刺時(shí)由于預(yù)制缺陷的存在，針刺點(diǎn)附近劈峰斷裂，內(nèi)短路面積減小。采用上述集流體制備電池進(jìn)行針刺實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，集流體改性后的滿電態(tài)電池針刺時(shí)溫升與常規(guī)電池放電態(tài)溫升相當(dāng)M.T.M.Pham等采用以聚合物為基底、涂覆鋁/銅的箔材分別作為正負(fù)集流體制成的18650鋰離子電池100%通過(guò)針刺測(cè)試，而對(duì)照組全部熱失控。其中，聚合物涂覆鋁的集流體對(duì)改善熱失控起到關(guān)鍵作用，原因在于針刺點(diǎn)附近的鋁箔熔化導(dǎo)致電子回路被切斷，內(nèi)短路中止。已有研究證實(shí)，鋁箔與滿電態(tài)負(fù)極之間的短路是導(dǎo)致針刺熱失控的關(guān)鍵因素，因此，通過(guò)鋁集流體設(shè)計(jì)優(yōu)化，抑制鋁劈鋒的形成，可以降低針刺熱失控風(fēng)險(xiǎn)。

2.3電解液優(yōu)化

Y.Shi等提出，通過(guò)降低電解液中的離子導(dǎo)電性，增大電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻，能夠降低電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)，這類物質(zhì)稱為“熱失控延緩劑”。但是直接在電解液中加入這類物質(zhì)，會(huì)嚴(yán)重影響鋰離子電池的電性能。通過(guò)將熱失控延緩劑單獨(dú)封裝放入鋰離子電池內(nèi)殼，在受到外部機(jī)械破壞如針刺時(shí)，釋放到電解液中，從而起作用。研究表明，三己胺(THA)是非常有效的熱失控延緩劑，通過(guò)與隔膜度浸潤(rùn)，并與電解液不相溶的特性，達(dá)到阻礙鋰離子傳輸?shù)哪康摹?/p>

2.4極片涂層

ATL申請(qǐng)的中文專利中提到，在負(fù)極活性層表面涂覆一層產(chǎn)氣涂層，當(dāng)鋰離子二次電池發(fā)生針刺(包括毛刺刺穿)、擠壓等不正當(dāng)使用時(shí)，產(chǎn)氣涂層產(chǎn)生的氣體能夠很好地將正極極片與負(fù)極極片隔離，從而避免鋰離子二次電池內(nèi)部短路，引起起火甚至爆炸。產(chǎn)氣涂層為偶氮類化合物、亞硝基類化合物或磺酰肼類化合物，材料的分解溫度為90~250℃。通過(guò)材料優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高針刺點(diǎn)附近的電子電阻(如隔膜和集流體優(yōu)化等)或離子電阻(如電解液優(yōu)化等)，可以從根本上降低針刺內(nèi)短路產(chǎn)熱，從而降低針刺熱失控風(fēng)險(xiǎn)。