新型热失控抑制剂提升锂离子电池安全性

来源:新能源Leader   发布时间:2016-12-26 10:55      设置字体:
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摘要:通过在电解液中添加DBA,使得电荷交换阻抗增加,电解液离子电导率下降,Li+迁移数下降,总的来说就是抑制了Li+在正负极之间迁移,从而减少热量的产生。
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锂离子电池作为在我们生活中最为常见的化学储能电源,其安全性是我们永恒的关注点。为了提升锂离子电池的安全性,人们增加了电池控制电路(BMS)用来控制电池充放电,防止锂离子电池因过充、过放引起的安全风险。

在锂离子电池结构设计上人们采用了三层复合隔膜和陶瓷涂层隔膜,来提升锂离子电池在高温情况下的安全性。

但是仍然有一类安全风险即便是做了万全的安全设计,仍然难以避免,这就是机械滥用导致的锂离子电池热失控,例如在锂离子电池遭受外部机械压力,导致电池变形或者被刺穿,引起正负极短路,整个锂离子电池的电量都通过短路点在短时间内释放,会在短路点产生极高的温度,导致正极活性物质分解,释放出氧化性机极强的游离氧,进一步氧化电解液,大量产热,最终导致锂离子电池发生热失控,引起起火和爆炸。

更为严重的是,如果热失控是发生在电池组内的一个电池上,热失控电池释放出的高温,会导致热失控在电池组内部蔓延,引发严重的后果。

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图片来自参考文献

因此,如何避免锂离子电池发生热失控和如何抑制热失控在电池组内部蔓延就成为了人们关注的焦点,例如在前一篇文章中,我们就介绍了一种填充在电池组内部,用于抑制热失控电池组内蔓延的相变复合材料PCC

而今天要给大家介绍的是一种添加在电池内的热失控抑制剂,该材料的主要作用是当锂离子电池在发生机械滥用的情况下,能够在电池内部及时释放,从而抑制热失控的发展。

研究显示,通过在电池内添加4%的抑制剂,就可以将电池在穿刺实验中的最高温度降低50%,而且该材料对电池的循环性能影响微乎其微,该研究成果最近由加州大学圣地亚哥分校的Yang Shi等人发表在JPS期刊上。

  一般来说一些传统的电解液阻燃剂虽然能够能增加锂离子电池的安全性,但是却会严重的降低锂离子电池的循环性能,为了解决这一问题,Yang Shi等人利用了胶囊结构,将热失控抑制剂DBA(二苄胺)用胶囊结构进行包裹,放入到电池内部,在电池收到外部的机械压力时,会导致胶囊结构被破坏,释放出热失控抑制剂,从而短时间内抑制热失控的发生。

试验中采用了LIR-2450扣式电池进行了测试,在针刺试验中,添加DBA的实验组电池温升为40摄氏度,而对照组试验电池的温升则达到了75摄氏度,通过添加DBA使得在机械滥用导致的热失控中电池温升降低了50%左右。

通过计算可以发现,实验组电池在热失控中释放的热量为0.15Wh,而对照组电池在热失控中则释放了0.23Wh的热量,通过在电池中添加4%DBA使得电池在热失控中电池产热降低了1/3左右。

  在挤压试验中,Yang Shi将电芯重量5%DBA装入到铝塑膜袋中,并装入到电池中,在电池遭受挤压的变形时,铝塑膜破裂将DBA释放到电解液中,试验结果显示,通过在电池中添加DBA抑制剂,使得电池在挤压导致的热失控过程中,电池温升降低了50%左右,这与针刺试验的结果是一致的。

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图片来自参考文献

为了揭示DBA在锂离子电池中的工作原理,Yang Shi还研究DBA与正负极之间的反应活性,试验发现,DBA可以与满电态的正极发生反应,在正极表面形成固体-电解质膜,使得电荷交换的阻抗增大。

对电解液的离子电导率测试发现,DBA的加入使得电解液的电导率大幅的下降,纯的电解液的电导率为9.23mS/cm,在电解液中添加5%10%DBA后电解液的电阻率就下降到了7.59 mS/cm6.38 mS/cm。测试Li+在电解液中的迁移数,在对照组中,Li+的迁移数为0.48,而添加5%DBA的实验组电解液,Li+的迁移数则只有0.23

从上述分析结果可以看出,通过在电解液中添加DBA,使得电荷交换阻抗增加,电解液离子电导率下降,Li+迁移数下降,总的来说就是抑制了Li+在正负极之间迁移,从而减少热量的产生。

  YangShi工作为锂离子电池热失控预防提供了新的思路,特别是通过将DBA密封在铝塑膜之中,既能够在发生机械滥用的时候及时将DBA释放到电解液中,通过增加正极的电荷交换阻抗,降低电解液的离子电导率和降低Li+迁移数,从而达到降低短路电流的目的,研究显示4%的添加量就可以将热失控温度降低50%左右。DBA采用铝塑膜包装另外一个优势是,在正常情况下,DBA不会释放到电解液中,因此不会对电池的循环性能产生影响。

  参考文献:Exothermicbehaviors of mechanically abused lithium-ion batteries with dibenzylamine,Journal of Power Source, 326(2016), Yang Shi, et. al


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