探討鋰離子電池安全性問題

1、使用安全型鋰離子電池電解質(zhì)

目前鋰離子電池電解液使用碳酸酯作為溶劑，其中線型碳酸酯能夠提高電池的充放電容量和循環(huán)壽命，但是它們的閃點較低，在較低的溫度下即會閃燃，而氟代溶劑通常具有較高的閃點甚至無閃點，因此使用氟代溶劑有利于抑制電解液的燃燒。目前研究的氟代溶劑包括氟代酯和氟代醚。

阻燃電解液是一種功能電解液，這類電解液的阻燃功能通常是通過在常規(guī)電解液中加入阻燃添加劑獲得的。阻燃電解液是目前解決鋰離子電池安全性最經(jīng)濟(jì)有效的措施，所以尤其受到產(chǎn)業(yè)界的重視。

使用固體電解質(zhì)，代替有機液態(tài)電解質(zhì)，能夠有效提高鋰離子電池的安全性。固體電解質(zhì)包括聚合物固體電解質(zhì)和無機固體電解質(zhì)。聚合物電解質(zhì)，尤其是凝膠型聚合物電解質(zhì)的研究取得很大的進(jìn)展，目前已經(jīng)成功用于商品化鋰離子電池中，但是凝膠型聚合物電解質(zhì)其實是干態(tài)聚合物電解質(zhì)和液態(tài)電解質(zhì)妥協(xié)的結(jié)果，它對電池安全性的改善非常有限。干態(tài)聚合物電解質(zhì)由于不像凝膠型聚合物電解質(zhì)那樣包含液態(tài)易燃的有機增塑劑，所以它在漏液、蒸氣壓和燃燒等方面具有更好的安全性。目前的干態(tài)聚合物電解質(zhì)尚不能滿足聚合物鋰離子電池的應(yīng)用要求，仍需要進(jìn)一步的研究才有望在聚合物鋰離子電池上得到廣泛應(yīng)用。相對于聚合物電解質(zhì)，無機固體電解質(zhì)具有更好的安全性，不揮發(fā)，不燃燒，更加不會存在漏液問題。此外，無機固體電解質(zhì)機械強度高，耐熱溫度明顯高于液體電解質(zhì)和有機聚合物，使電池的工作溫度范圍擴(kuò)大;將無機材料制成薄膜，更易于實現(xiàn)鋰離子電池小型化，并且這類電池具有超長的儲存壽命，能大大拓寬現(xiàn)有鋰離子電池的應(yīng)用領(lǐng)域。

常規(guī)的含阻燃添加劑的電解液具有阻燃效果，但是其溶劑仍是易揮發(fā)成分，依然存在較高的蒸氣壓，對于密封的電池體系來說，仍有一定的安全隱患。而以完全不揮發(fā)、不燃燒的室溫離子液體為溶劑，將有希望得到理想的高安全性電解液。離子液體是在室溫及相鄰溫度下完全由離子組成的有機液體物質(zhì)，具有電導(dǎo)率高、液態(tài)范圍寬、不揮發(fā)和不燃等特點，將離子液體用于鋰離子電池電解液中有望解決鋰離子電池的安全問題。

2、提高電極材料熱穩(wěn)定性

鋰離子電池的安全問題是不安全電解質(zhì)直接導(dǎo)致的，但從根源上來說，是因為電池本身的穩(wěn)定性不高，熱失控的出現(xiàn)導(dǎo)致的。而熱失控的發(fā)生除了電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性原因，電極材料的熱穩(wěn)定性也是最重要的原因之一，所以提高電極材料的熱穩(wěn)定性也是提高電池安全性的重要環(huán)節(jié)，但是這里所說的電極材料熱穩(wěn)定性不但包括其自身的熱穩(wěn)定性，也要包括其與電解質(zhì)材料相互作用的熱穩(wěn)定性。

通常負(fù)極材料熱穩(wěn)定性是有其材料結(jié)構(gòu)和充電負(fù)極的活性決定的。對于碳材料，球形碳材料，如中間相碳微球(MCMB)相對于鱗片狀石墨，具有較低的比表面積，較高的充放電平臺，所以其充電態(tài)活性較小，熱穩(wěn)定性相對較好，安全性高。而尖晶石結(jié)構(gòu)的Li4Ti5O12,相對于層狀石墨的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，其充放電平臺也高得多，因此熱穩(wěn)定性更好，安全性更高。因此，目前對安全性要求更高的動力電池中通常使用MCMB或Li4Ti5O12代替普通石墨作為負(fù)極。通常負(fù)極材料的熱穩(wěn)定性除了材料本身之外，對于同種材料，特別是石墨來說，負(fù)極與電解液界面的固體電解質(zhì)界面膜(SEI)的熱穩(wěn)定性更受關(guān)注，而這也通常被認(rèn)為是熱失控發(fā)生的第一步。提高SEI膜的熱穩(wěn)定性途徑主要有兩種：一是負(fù)極材料的表面包覆，如在石墨表面包覆無定形炭或金屬層;另一種是在電解液中添加成膜添加劑，在電池活化過程中，它們在電極材料表面形成穩(wěn)定性較高的SEI膜，有利于獲得更好的熱穩(wěn)定性。

正極材料和電解液的熱反應(yīng)被認(rèn)為是熱失控發(fā)生的主要原因，提高正極材料的熱穩(wěn)定性尤為重要，在產(chǎn)業(yè)界正極材料的開發(fā)也更受關(guān)注，除了有其價格較高、利潤較大的原因外，它在電池安全性中的重要地位也是其備受關(guān)注的一個重要原因。與負(fù)極材料一樣，正極材料的本質(zhì)特征決定了其安全特征。LiFePO4由于具有聚陰離子結(jié)構(gòu)，其中的氧原子非常穩(wěn)定，受熱不易釋放，因此不會引起電解液的劇烈反應(yīng)或燃燒;而其他過渡金屬氧化物正極材料，受熱或過充時容易釋放出氧氣，安全性差。而在過渡金屬氧化物當(dāng)中，LiMn2O4在充電態(tài)下以λ-MnO2形式存在，由于它的熱穩(wěn)定性較好，所以這種正極材料也相對安全性較好。此外，也可以通過體相摻雜、表面處理等手段提高正極材料的熱穩(wěn)定性。