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锂离子电池热失控及高安全性电解液研究进展
文章来源:  作者:  发布时间:2011-11-08
  随着全球石化能源紧张以及汽车尾气等环境污染的日益严重,人们逐渐意识到新型洁净能源开发利用的重要性。为了保证新型洁净能源的可持续开发与稳定储存和输出,理想储能设备的重要性不言而喻。锂离子电池由于其电压高、比能量高、自放电率低、循环寿命长、无环境污染等卓越性能,已在电子领域成为主导产品,并逐步成为代表未来发展方向的绿色能源电池。但由于目前商用锂离子电池存在热稳定性较差等缺陷,致使其火灾爆炸事故频繁发生,安全性仍是限制锂离子电池在电动汽车和混合动力汽车等动力电源上产业化应用的主要原因之一。
  近年来,本课题组为揭示锂离子电池发生火灾爆炸的本质原因、提高锂离子电池的安全性,与中国科学技术大学锂离子电池实验室展开合作,通过热-电耦合详细研究了锂离子电池电解液的电化学性能与热稳定性,正、负极材料在不同充电状态下的热稳定性,以及电解液与不同充放电状态下正、负极材料之间的电化学相容性和热稳定性。揭示了锂离子电池材料及其相互间的动力学、热力学和电化学特性。探索了锂离子电池发生火灾爆炸的突变规律,提出了增强锂离子电池安全性的有效手段。研究成果相继发表在《Journal of Power Sources》、《Journal of Hazardous Materials》、《Journal of the Electrochemical Society》等国际著名刊物上,并申请了发明专利,到目前为止,共计发表科研论文30余篇,其中SCI收录22篇。
  研究发现,商用的锂离子电池电解液中PF5的强路易斯酸作用,是电解液热稳定降低的主要因素,并且电解液与正极、负极材料共存时,热稳定性进一步降低。同时,正极材料LixCoO2及其与电解液共存体系的热稳定性均随带电程度的增加而降低,而嵌锂程度对电解液与LixC6 共存体系的热稳定性影响较小。在综合分析了锂离子电池各种材料不同荷电情况下,其相互间热、动力学作用的基础上,提出锂离子电池发生爆炸的突变形式为燕尾突变。
  另外,课题组对高安全性的锂离子电池电解液材料进行了深入研究,相继研究了以磷酸三异丙基苯酯和磷酸甲苯二苯酯作为锂离子电池阻燃添加剂,对锂离子电池产热和电化学性能的影响,认为磷酸酯类阻燃添加剂能够在基本保证锂离子电池电化学性能的基础上,有效抑制电池产热。于近期提出采用双乙二酸硼酸锂作为电解液锂盐、内酯作为电解液溶剂、亚硫酸盐作为电解液添加剂时,电解液的电导性增加,且与电极材料能够良好匹配,尤其可以在负极材料表面形成致密、光滑、能有效保护负极材料的SEI膜层,降低了电解液-电极材料的界面阻抗(图1)。更重要的是,由于该电解液强路易斯酸作用显著降低,能够保证电解液-电极材料的热稳定性(图2),有效提高锂离子电池的电化学性能和安全性能。这些研究成果为动力锂离子电池的研制提供了重要的科学依据和技术支撑。

图1电解液加入不同亚硫酸盐后,循环后下MCMB负极材料表面的SEM(引自Ping et al. / Journal of Power Sources 196 (2011) 776–783)

图2常用电解液与加入不同亚硫酸盐后LiBOB/GBL电解液的热流曲线(引自Ping et al. / Journal of Power Sources 196 (2011) 776–783)

 
 
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