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聚合物锂电池生产与使用的“绝对安全”

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    为确保聚合物锂电池生产与使用的“绝对安全”,国内应建立紧密协作联合开发的机制,加大研发投入,通过创新的化工解决方案,从技术上、工程上和材料上努力取得突破。

    聚合物锂电池的安全问题是一道世界级难题,各国都在研究解决之中。从聚合物锂电池的结构看,它有正极、负极、隔膜和电解液,其外壳全部采用化工材料。聚合物锂电池的安全性与这5个部分有直接的关系,但聚合物锂电池爆燃的诱因主要是电池“热失控”,电池的短路放热占到较大的比例。“从电解液角度分析,电池在充分放电过程中会产生热量,而电解液由锂盐、添加剂和溶剂组成,尤其是溶剂,如碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯等,在受热的环境中自身会再放热,造成整个体系失控。业界普遍认为150℃是锂离子电池“热失控”的关键温度。”

    那么,动力聚合物锂电池发热为什么导致电池爆炸?试验证明电池爆炸是电池“内短路”引发的,从一个点扩大到全部,形成“链式化学反应”,放出了巨大能量才酿成事故。“比如,电池隔膜一般采用聚乙烯、聚丙烯材料,在受热环境下会产生收缩,引起正、负极之间的部分短路而放热;在大功率动力电池中,一旦隔膜出现崩溃短路,电压降低,温度会迅速升高到600℃,造成正极铝化合物的剧烈燃烧而爆炸。”何向明说,国外动力电池现已开始采用在180℃时不会收缩的聚酰亚胺,作为隔膜材料。

    电池安全性的核心是“热”。切断电池自身的“产热链”,是保证电池安全的重要措施。如何防止电池的“热失控”,一些专家在研讨会上提出,可从电池的产热、传热两大方向予以解决。主要的举措有:采用放热量低的化学材料;控制放热反应速率,降低产热速度;提高放热反应发生的温度;改善电池外壳散热,缓解电池升温。

    通过添加氟代磷酸酯、磷腈、氟代硼酸酯和腈基硼烷等阻燃材料,使电池“热失控”温度大大提高;同时研发了超低温电解液的羧酸酯类(MA、EA)、氟代溶剂类(FEA)等,以该材料为电解液的动力电池可用于航天、航空飞行器等领域。江苏华东锂电技术研究院近期开发了凝胶电解质等,极大提高了电解液的耐氧化稳定性,不仅放热起始温度高、放热量小、可缓解电池温升,同时能防止普通隔膜被氧化,阻止电池内短路。

    聚合物电解质的“纠结”是安全性与电性能两者如何做到平衡。聚合物电解质实用化的研发合作,走出了一条从固态电解质到凝胶电解质最后到复合电解质的成功之路,已形成可产业化的系列成果。其中的复合电解质,既能满足电池的电性能,同时可大幅度提高电池安全性。

    我国聚合物锂电池的安全性与多年前相比,已有很大的提高,但安全性是一门复杂的综合性技术,要完全攻克还需要有一个过程。现在国内许多企业和科研院所看好聚合物锂电池产业,都投入了大量人力、财力和物力,但各自为政、非常分散,并受到了成本和产业化的制约,建议政府有关方面搭建高层次的产学研合作创新的平台,组织协同攻关,发挥叠加优势,实现重点突破,共同推动我国聚合物锂电池的技术安全性跨上新台阶。

    聚合物锂电池的安全问题是一道世界级难题,各国都在研究解决之中。从聚合物锂电池的结构看,它有正极、负极、隔膜和电解液,其外壳全部采用化工材料。聚合物锂电池的安全性与这5个部分有直接的关系,但聚合物锂电池爆燃的诱因主要是电池“热失控”,电池的短路放热占到较大的比例。“从电解液角度分析,电池在充分放电过程中会产生热量,而电解液由锂盐、添加剂和溶剂组成,尤其是溶剂,如碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯等,在受热的环境中自身会再放热,造成整个体系失控。业界普遍认为150℃是锂离子电池“热失控”的关键温度。”

    那么,动力聚合物锂电池发热为什么导致电池爆炸?试验证明电池爆炸是电池“内短路”引发的,从一个点扩大到全部,形成“链式化学反应”,放出了巨大能量才酿成事故。“比如,电池隔膜一般采用聚乙烯、聚丙烯材料,在受热环境下会产生收缩,引起正、负极之间的部分短路而放热;在大功率动力电池中,一旦隔膜出现崩溃短路,电压降低,温度会迅速升高到600℃,造成正极铝化合物的剧烈燃烧而爆炸。”何向明说,国外动力电池现已开始采用在180℃时不会收缩的聚酰亚胺,作为隔膜材料。

    电池安全性的核心是“热”。切断电池自身的“产热链”,是保证电池安全的重要措施。如何防止电池的“热失控”,一些专家在研讨会上提出,可从电池的产热、传热两大方向予以解决。主要的举措有:采用放热量低的化学材料;控制放热反应速率,降低产热速度;提高放热反应发生的温度;改善电池外壳散热,缓解电池升温。

    通过添加氟代磷酸酯、磷腈、氟代硼酸酯和腈基硼烷等阻燃材料,使电池“热失控”温度大大提高;同时研发了超低温电解液的羧酸酯类(MA、EA)、氟代溶剂类(FEA)等,以该材料为电解液的动力电池可用于航天、航空飞行器等领域。江苏华东锂电技术研究院近期开发了凝胶电解质等,极大提高了电解液的耐氧化稳定性,不仅放热起始温度高、放热量小、可缓解电池温升,同时能防止普通隔膜被氧化,阻止电池内短路。

    聚合物电解质的“纠结”是安全性与电性能两者如何做到平衡。聚合物电解质实用化的研发合作,走出了一条从固态电解质到凝胶电解质最后到复合电解质的成功之路,已形成可产业化的系列成果。其中的复合电解质,既能满足电池的电性能,同时可大幅度提高电池安全性。

    我国聚合物锂电池的安全性与多年前相比,已有很大的提高,但安全性是一门复杂的综合性技术,要完全攻克还需要有一个过程。现在国内许多企业和科研院所看好聚合物锂电池产业,都投入了大量人力、财力和物力,但各自为政、非常分散,并受到了成本和产业化的制约,建议政府有关方面搭建高层次的产学研合作创新的平台,组织协同攻关,发挥叠加优势,实现重点突破,共同推动我国聚合物锂电池的技术安全性跨上新台阶。


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