锂离子电池热失控防范技术

研究背景

安全性是制约高比能、大容量锂离子电池规模应用的重要技术问题，热失控是导致电池发生爆炸、燃烧等不安全行为的根本原因。从电化学角度来看，在锂离子电池内部建立一种自激发热保护机制，切断危险温度下电池内部的离子或电子传输，关闭电池反应，是解决这一问题的有效途径。基于这一考虑，近年来人们提出了一系列新型热失控防范技术，包括正温度系数电极（即PTC电极）、热敏性微球修饰隔膜（或电极）、热聚合添加剂等。本文在简要介绍这些安全性技术的实现方式和工作原理之后，重点介绍了这一领域的最新研究进展。在此基础上，从实际应用需求出发，对其存在的问题及发展趋势进行了探讨。

重点内容导读

电极反应必须涉及电子传输和离子传输。如果在电池内部存在一种温度感应机制，当电池温度过高时，这种机制能够及时响应并有效切断电子或离子传输，那么电池反应就会被关闭，从而避免电池大幅度升温，阻止其进入自加温的热失控状态。基于这一思路，近年来国内外研究者相继提出了正温度系数电极、热响应微球修饰隔膜、热聚合添加剂等热失控防范新技术。根据它们作用原理的不同，这些技术大致可归纳为两类：离子传输热切断和电子传输热切断。本文将简要介绍这一方向的主要研究进展，以便为高安全性动力电池开发提供借鉴和参考。

1  离子传输热切断技术

1.1  热熔化封闭 

图1  离子传输热熔化封闭原理示意图

1.2  热聚合封闭

图2  离子传输热聚合封闭原理示意图

2  电子传输热切断技术

图3  温度敏感电极的构造方式及工作原理示意图：（a）PTC材料作为电极集流体的表面涂层；（b）PTC材料作为电极活性层的导电剂；（c）PTC材料为电极活性颗粒的表面包覆层

结论

安全性是制约锂离子电池在动力与储能领域应用的重要技术问题。建立电池热失控防范新机制与新技术，提高电池的本征安全性，对于锂离子电池的规模化应用至关重要。从目前研究进展来看，利用材料的热相变行为实现离子传输的热切断以及利用PTC材料的正温度系数效应实现电子传输热切断，是两类值得期待的自激发热保护技术。在几种离子传输热切断技术中，利用表面修饰可熔性微球发展的热关闭隔膜具有化学稳定性高、与实际体系的电化学兼容性好以及使用方便等特点，更具应用发展前景。但受制于现有聚烯烃隔膜热稳定性的限制，微球修饰隔膜的过热保护功效并不能得到充分体现。将微球修饰技术与高热稳定性的隔膜（如聚酰亚胺PI膜）相结合，可能是一种更值得期待的热保护方法；在几种电子传输热切断技术中，基于PTC涂层的温度敏感电极仅对过充和外部短路有效，而基于PTC表面包覆的温度敏感电极材料则存在制备工艺复杂的问题。相比较而言，基于PTC导电剂的温度敏感电极更具应用前景，因为它不仅对所有引发热失控的滥用均有效，而且具有与现有电池生产工艺高度兼容的特点。在PTC材料的选择方面，由于导电聚合物PTC材料具有可加工性高、分散性好，以及电化学活性等优点，更具发展前景。