不同環(huán)境不同考驗，智能、自適應(yīng)蓄電池要如何設(shè)計？

隨著鋰離子電池在全球市場的普及，每年有數(shù)十億只鋰離子電池被生產(chǎn)出來，并進入到消費者手中。鋰離子電池在為我們生活帶來巨大的便利的同時，也隱藏著眾多的安全隱患等問題。近年來，隨著智能化浪潮的發(fā)展，越來越多的設(shè)備都朝著的智能化方向的發(fā)展，例如電視、音箱、汽車等等，它們能夠根據(jù)環(huán)境、用戶使用習(xí)慣等方面，不斷的提高自己，實現(xiàn)自我進化，改善用戶的使用體驗。

對于鋰離子電池而言，在使用過程中可能會面臨不同的使用環(huán)境的考驗，有些使用場景可能會對鋰離子電池形成較大的挑戰(zhàn)。我們希望鋰離子電池能夠更加智能一些，能夠根據(jù)使用環(huán)境及時對鋰離子電池使用策略進行調(diào)整，一方面保證鋰離子電池的安全性，一方面也能保證鋰離子電池性能和使用壽命。

智能自我保護

鋰離子電池的自我保護是鋰離子電池的最基本的功能，目前鋰離子電池組的BMS系統(tǒng)基本上都能夠?qū)崿F(xiàn)溫度保護、電流保護等功能，但是這都是在系統(tǒng)層級上的保護，而對于鋰離子電池的智能化設(shè)計可以實現(xiàn)鋰離子電池層面的自我保護，例如在電池內(nèi)增加額外的感應(yīng)電極、增加溫度反饋智能材料，通過在鋰離子電池內(nèi)增加一些智能結(jié)構(gòu)和材料，從而實現(xiàn)鋰離子電池智能化設(shè)計。

1.1、防內(nèi)短路設(shè)計

內(nèi)短路是影響鋰離子電池安全性的嚴(yán)重問題，由于鋰枝晶、多余物等導(dǎo)致的鋰離子電池內(nèi)短路，往往會引起嚴(yán)重的安全問題。

為了解決鋰枝晶生長導(dǎo)致的內(nèi)短路事故，人們設(shè)計了多種方法監(jiān)控鋰離子電池內(nèi)部鋰枝晶的生長。例如Wu等人設(shè)計的多功能隔膜，這種隔膜在傳統(tǒng)的聚合物隔膜中間還加入了一層金屬，這層金屬充當(dāng)了鋰枝晶探測器的功能，通過監(jiān)測這層金屬與負(fù)極之間的電壓差，就可以實現(xiàn)對鋰枝晶的監(jiān)控，使得該隔膜即保留了傳統(tǒng)隔膜的功能，也實現(xiàn)對鋰枝晶的監(jiān)控。斯坦福大學(xué)的Kai Liu三層復(fù)合多功能隔膜，改隔膜的特點是隔膜的中間層加入了SiO2，當(dāng)鋰枝晶生長到一定程度時，穿刺隔膜時，SiO2會與金屬鋰發(fā)生反應(yīng)，消耗鋰枝晶，從而避免鋰枝晶的進一步生長【1】。

1.2、智能防止鋰離子電池過熱

鋰離子電池如果發(fā)生過熱（如外部加熱、短路過程自放熱等）會引起隔膜收縮，引起正負(fù)極短路，進而導(dǎo)致熱失控發(fā)生。傳統(tǒng)的PP-PE-PP復(fù)合隔膜在較低的溫度下，能夠?qū)崿F(xiàn)自動閉孔功能，從而切斷正負(fù)極的反應(yīng)，達到抑制電池過熱的效果，但是如果溫度過高，PP層也發(fā)生收縮時，這種三層復(fù)合隔膜也就失效了。

為了解決鋰離子電池在過熱情況下的安全性問題，Yim等人設(shè)計一款能夠保護鋰離子電池過熱情況下安全的電解液添加材料。我們都知道一般的電解液阻燃劑都會對鋰離子電池的性能造成嚴(yán)重影響，因此難以在實際中的應(yīng)用。而Yim等降阻燃劑裝入了獨立的小膠囊之中，這些膠囊的外壁材料在電解液中非常穩(wěn)定，因此正常狀況下不會對鋰離子電池性能產(chǎn)生影響。當(dāng)溫度超過70攝氏度時，在阻燃劑DMTP的蒸汽壓的作用下，引起外殼的破裂，將阻燃劑釋放到電解液之中，導(dǎo)致電解液的電導(dǎo)率急劇下降，阻止電池內(nèi)進一步發(fā)生反應(yīng)。

上述的方法對鋰離子電池的保護是一次性的，即一旦保護機制啟動，則意味著整個電池失效。為了解決上述問題，Yang等人設(shè)計了一種能夠多次啟動的保護措施，該方法的特點是采用能夠在溫度的影響下，進行可逆的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的智能電解液。該款電解液主要由PNIPAM/AM構(gòu)成，當(dāng)溫度超過轉(zhuǎn)變溫度時，PNIPAM會由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)樵魉?，從而極大的抑制離子在其中的擴散。重要的是，在溫度降低時該反應(yīng)完全可逆，因此可以實現(xiàn)對電池的多次保護，該技術(shù)可以應(yīng)用水系超級電容器上，保護電容器的安全。