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                  從材料入手 動力鋰電池安全問題解決之道

                  鋰電中國瀏覽量:1708時間:2014-11-25 16:29:09

                  動力電池的安全性是決定其最終能否大規模應用的關鍵。上海交通大學教授、電化學與能源技術研究所副所長楊軍日前接受記者采訪時表示,現有鋰離子電池的主要安全隱患是電解液易燃易爆和高能電池體系熱力學不穩定。選擇電池材料和體系需要在電池能量密度和安全性之間尋求平衡,從材料入手改善鋰電池安全性。

                  現有電池存安全隱患

                  楊軍告訴記者,高能量密度鋰離子電池需要高輸出電壓和電極儲鋰容量。目前電解液主要為有機溶劑,難以承受4.5伏以上的高電壓,容易分解產生氣體,造成電池氣脹、破裂或爆炸。同時,充電狀態下的正負極材料本身也很活潑,如鈷酸鋰之類的正極材料在過充電或受熱狀態下容易發生結構坍塌,并產生顯著的熱效應,而含有機溶劑的鋰化石墨負極在接觸空氣時也容易燃燒。目前使用的鋰離子電池主要以石墨基材料作為負極,其嵌鋰電位接近金屬鋰的析出電位,在快速充電時容易造成金屬鋰析出,常以鋰枝晶或鋰粉末狀態存在,前者會使電池內短路,后者會加速電解液分解或與空氣接觸發生燃燒。因此,選擇合適的電極材料和電解質體系能夠在熱力學層面從源頭為電池安全性提供保障。

                  優化電解質體系

                  極性有機溶劑電解液難以保障動力鋰離子電池的安全性,而現有的離子液體要么電化學窗口不夠寬,要么相對分子質量和黏度太大,尚不能完全替代有機溶劑。因此,發展低溶劑或無溶劑的聚合物電解質、無機有機復合電解質或無機固體電解質是提高電池安全性的根本舉措。

                  楊軍課帶領的題組以80%高空隙的親水型聚四氟乙烯薄膜為基底原位交聯聚合成功制備了支鏈帶大量環氧乙烷基團的共聚復合多孔膜。這種隔膜有優良的力學和耐熱性能,且由于電解液與聚合物作用成為凝膠而不會泄漏,故遇明火也不易燃燒。此外,該凝膠聚合物薄膜的高吸液率也使其具有高的離子電導率。采用該電解質薄膜的Li/LiFePO4和Li/S電池性能接近或優于傳統電池。

                  楊軍指出,雖然低溶劑或無溶劑的聚合物電解質薄膜能夠在很大程度上改善電池的安全性能,代表了未來的發展方向,但已經開發的這類薄膜大多在機械強度和鋰離子電導率上不能同時滿足應用要求,尚需要從材料和技術上取得突破。

                  提高負極嵌鋰電位

                  楊軍指出,提高負極的嵌鋰電位也能有效改善電池的安全性和循環使用壽命。他表示,與石墨基負極材料相比,能提高電極電位的材料有硬碳、硅、錫、鈦酸鋰等。在合金負極材料的研究方面中科院物理所和上海交通大學起步較早,也較深入,但仍然處于基礎研發階段,國外也沒有真正意義上的產業化。近年來對硅基復合負極材料的研究已經在實驗室中使電極的循環性能得到大幅提高,但平均循環效率大多難以超過99.5%,并且一些特殊納米結構材料難以低成本大規模生產,阻礙了其產業化。

                  楊軍告訴記者,硅基負極的嵌鋰電位比石墨提高約0.15伏。硅的另一大優勢是其儲鋰容量可達石墨的近10倍,但其相應的體積膨脹率也大于300%,致使電子易導電性喪失,容量快速衰減。楊軍教授的課題組通過多孔二氧化硅的鎂熱還原和酸洗工藝制備了3D介孔結構硅材料,結合納米層碳包覆,較好地解決了此問題。該硅基電極在1C倍率下比容大于1500mAh/g,100次循環后無容量衰減現象。

                  零體積效應和高充放電電位的鈦酸鋰作為負極材料能有極好的電化學可逆性,但在高溫下充放電容易產生氣體,縮短電池壽命,楊軍課題組對影響這類電池脹氣的因素,如電解液組成和雜質水含量、電極組成及荷電程度等進行了較為系統的研究,優化了電池性能。

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