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怎样保证锂电安全性和寿命等性能,更智能的自适应电池设计可以!

怎样保证锂电安全性和寿命等性能,更智能的自适应电池设计可以!

  随着锂离子电池在全球市场的普及,每年有数十亿只锂离子电池被生产出来,并进入到消费者手中。锂离子电池在为我们生活带来巨大的便利的同时,也隐藏着众多的安全隐患等问题。近年来,随着智能化浪潮的发展,越来越多的设备都朝着的智能化方向的发展,例如电视、音箱、汽车等等,它们能够根据环境、用户使用习惯等方面,不断的提高自己,实现自我进化,改善用户的使用体验。

  对于锂离子电池而言,在使用过程中可能会面临不同的使用环境的考验,有些使用场景可能会对锂离子电池形成较大的挑战。我们希望锂离子电池能够更加智能一些,能够根据使用环境及时对锂离子电池使用策略进行调整,一方面保证锂离子电池的安全性,一方面也能保证锂离子电池性能和使用寿命。

  1.智能自我保护

  锂离子电池的自我保护是锂离子电池的最基本的功能,目前锂离子电池组的BMS系统基本上都能够实现温度保护、电流保护等功能,但是这都是在系统层级上的保护,而对于锂离子电池的智能化设计可以实现锂离子电池层面的自我保护,例如在电池内增加额外的感应电极、增加温度反馈智能材料,通过在锂离子电池内增加一些智能结构和材料,从而实现锂离子电池智能化设计。

  1.1防内短路设计

  内短路是影响锂离子电池安全性的严重问题,由于锂枝晶、多余物等导致的锂离子电池内短路,往往会引起严重的安全问题。

  为了解决锂枝晶生长导致的内短路事故,人们设计了多种方法监控锂离子电池内部锂枝晶的生长。例如Wu等人设计的多功能隔膜,这种隔膜在传统的聚合物隔膜中间还加入了一层金属,这层金属充当了锂枝晶探测器的功能,通过监测这层金属与负极之间的电压差,就可以实现对锂枝晶的监控,使得该隔膜即保留了传统隔膜的功能,也实现对锂枝晶的监控。斯坦福大学的Kai Liu三层复合多功能隔膜,改隔膜的特点是隔膜的中间层加入了SIO2,当锂枝晶生长到一定程度时,穿刺隔膜时,SIO2会与金属锂发生反应,消耗锂枝晶,从而避免锂枝晶的进一步生长。

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  1.2智能防止锂离子电池过热

  锂离子电池如果发生过热(如外部加热、短路过程自放热等)会引起隔膜收缩,引起正负极短路,进而导致热失控发生。传统的PP-PE-PP复合隔膜在较低的温度下,能够实现自动闭孔功能,从而切断正负极的反应,达到抑制电池过热的效果,但是如果温度过高,PP层也发生收缩时,这种三层复合隔膜也就失效了。

  为了解决锂离子电池在过热情况下的安全性问题,Yim等人设计一款能够保护锂离子电池过热情况下安全的电解液添加材料。我们都知道一般的电解液阻燃剂都会对锂离子电池的性能造成严重影响,因此难以在实际中的应用。而Yim等降阻燃剂装入了独立的小胶囊之中,这些胶囊的外壁材料在电解液中非常稳定,因此正常状况下不会对锂离子电池性能产生影响。当温度超过70摄氏度时,在阻燃剂DMTP的蒸汽压的作用下,引起外壳的破裂,将阻燃剂释放到电解液之中,导致电解液的电导率急剧下降,阻止电池内进一步发生反应。

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  上述的方法对锂离子电池的保护是一次性的,即一旦保护机制启动,则意味着整个电池失效。为了解决上述问题,Yang等人设计了一种能够多次启动的保护措施,该方法的特点是采用能够在温度的影响下,进行可逆的溶胶-凝胶转变的智能电解液。该款电解液主要由PNIPAM/AM构成,当温度超过转变温度时,PNIPAM会由亲水性转变为憎水性,从而极大的抑制离子在其中的扩散。重要的是,在温度降低时该反应完全可逆,因此可以实现对电池的多次保护,该技术可以应用水系超级电容器上,保护电容器的安全。

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  2.智能自我修复

  随着锂离子电池的普及,锂离子电池面临的各种伤害的机会也在不断增加,如果锂离子电池能够实现像生物体那样的自我修复功能,这对于延长锂离子电池的使用寿命,降低锂离子电池的安全风险就有非常重要的意义。

  2.1外界损伤的自我修复

  具有自我修复功能的电池其实不是什么全新的概念,例如Li-I电池,其隔膜实际上就是Li与I的反应产物LiI,因此在隔膜损坏后,Li与I发生接触,反应产物LiI就实现了对隔膜的修补。

  现代意义的自我修复功能锂离子电池,更多的是基于多功能材料实现的,例如Wang等人设计的自修复功能的超级电容器,其主要是由超分子材料形成的网构成,材料内众多的氢键使得材料在面对机械损伤时具有自我修复的特性。在50摄氏度下,材料被切断后,能够在5min之内自我愈合。

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  上述的自愈合设计主要是针对水系超级电容器,自愈合锂离子电池的设计还面临不小的挑战,这很大程度是因为锂离子电池的有机电解液暴漏在空气之中,会严重的影响锂离子电池的性能,因此自愈合锂离子电池设计还需要依赖电解液的持续改进。

  2.2形状记忆能力

  随着可穿戴设备的普及,传统的硬壳结构的锂离子电池已经无法满足实际应用的需求,因此能够在受到外力(如热、电磁力、压力等)发生形变后,能够恢复初始设计形状,就成为了特种锂离子电池的需求。Yan等人利用形状记忆合金TiNi设计的具有形状记忆能力的超级电容器,TiNi合金的相变温度为15摄氏度,而人体皮肤表面的温度大约在35摄氏度左右,因此该电容器能够在人体体温的作用下恢复到初始的形状,自动缠绕在手腕上。

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  如果把上述的形状记忆合金TiNi做成纤维状,还能够制成多种形状的具有形状记忆功能的电池。这一功能在航天领域有着很好的应用前景,在发射之前,首先在较低的温度下,将电池折叠尽量缩小体积,进入太空后,恢复温度,则电池自动回复其初始形状,并且在整个过程中电池的电性能不受任何影响,这将极大的提升航天发射的效率。

  智能化浪潮是一个不可逆的趋势,锂离子电池的智能化发展将是一个非常重要的方向,随着材料和设计技术的不断进步,相信我们在未来将能够见证更加智能、更加人性化的蓄电池的诞生。

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