高功率锂动力电池的安全技术探讨

王景辉

（深圳市中泰盛科技有限公司，广东 深圳 518043）

随着社会的发展，当前各个行业都对于能源产生了极高的需求，而锂离子电池在当前已经成为了各种电子产品所必备的一项，同时也在新能源领域得到了应用，原因主要是因为锂离子电池具有着高比能的特点。而高功率锂动力电池作为一种动力、储能的电池，其比功率、可靠性、比能量、经济指标、环境适应性以及循环稳定性等都会严重的影响到自身的商业化程度。而高功率锂动力电池自身的安全性则直接的决定了其是否能够在动力、储能等相关领域应用的关键。高功率锂动力电池体系中在电气复杂的应用条件下，具有许多的危险，例如，燃烧、爆炸等。所以，这在一定程度上导致高功率锂动力电池的发展收到了制约。虽然为了解决高功率锂动力电池的安全性问题，提出了一些解决措施，但没有从根本上解决[1]。

1 过充安全保护技术

（1）电氧化聚合电解液添加剂

电氧化聚合电解液添加剂保护原理为：将某种可氧化聚合的单体添加在电解液内，等到电池过充为一定电压时，单体分子在此时会在电池阴极表面出现电氧化聚合，并且会产生聚合物表面层，而该层是一种绝缘状态，随之还会出现阴极活性表面、内孔封闭等情况，然后实现内部离子传输、阻塞电极反应的目的，使锂动力电池内部出现短路，最终避免发生电池不安全行为。因为导电聚合物本身具有着电阻，因此短路方式会仙姑地比较的温和，能够将电池中所含有的能力均匀的释放出来，使电池可以保持在一个安全的状态下。同时，在进行聚合的过程中，会产生微量的氢气，可以有效地提升电池安全阀的灵敏性[2]。

（2）氧化还原电对穿梭剂

这一原理为:将具有一定高度氧化还原可逆性的电对加入到电解液中，并且等到电池在正常的充放电电压时，电对添加剂分子在此时并不会与其他的电极发生，并且其状态还会是处于本征的还原态。而电池在进行充电时，电压如果已经处于电对的氧化电势，那么在此时进行正极还原态电对，将会导致电子被电化学氧化成氧化态，并开始向着负极扩散。对其进行反复的氧化操作，能够将旁路掉外部的充电电流还原，并将电压进行局限，使其处于某一个范围之内，避免高功率锂动力电池出现电压失控[3]。

（3）电压敏感隔膜

这也是一种过充保护的方式，并且还是可逆的，该方式的思路在于:采用电活性聚合物来制作隔膜骨架，在一个充放电正常的范围内，隔膜会是绝缘态，是利用隔膜微孔进行离子液相传导。在电池发生电池过充后，将会伴随着充电电压的升高而随之升高，电池的正极电位在此时也会随之提升，并且速度十分快，在达到聚合物材料的氧化电位时，聚合物在此时会出现氧化掺杂，并且还会转变为电子导体，出现短路等各种问题。过充电流则会通过隔膜阻止电极材料发生更多的反应，避免出现电解液氧化分解的情况，达到保护电池的最终目的。电池过充如果一旦停止，那么在电压内部短路后，将会发生降低，当低到一定程度的时候，电压敏感隔膜会随之转变，并逐渐的恢复为正常隔膜功能[4]。

所以，通过不同电势，导电聚合物的绝缘态-导电态将会产生可逆转变，如果以此为根据开展设计的话，可以拥有一个良好的电压开关性质，并实现电池可逆过充保护的最终目的。

2 热控制技术

为了避免电池出现热失控，所以设计出一种自激活热阻断功能的过充保护措施，也就是温度敏感电极。其原理为:将一层具有PTC效应的材料嵌入在电极活性物涂层与集流体之间，使电极产生PTC效应。这样能够使电极可以根据自身的温度变化进行调节，并将自我限流功能及时启动，可以为电池的热失控提供现场保护[5]。

PTC材料拥有着合适的阻变温度，同时还具有升阻比和化学稳定性等特点，而上述结构中的PTC电极可以以温度变化为根据，对于电机电阻进行调节，因此具有自激活温度开关的能力。但是，这种PTC电极仅对于因为过充或短路造成的温升可以产生效果，而因为穿刺、负极析锂、挤压等原因所产生的热失控，则无法获得良好的效果。因为涂层和集流体之间的PTC薄层无法切断正负极之间的电子传导，所以，使用PTC涂层均匀包覆电极活性材料表面，是一种有效的热控制方式。可以使活性材料自身产生热敏感功能，从而可以感受到温度。PTC薄层非常致密并具有锂离子传导功能的话，那么在不对电池正常充放电产生影响的前提条件下，能够将敏感温度下的所有电极表面进行封闭，以此来处理热失控。但实现这一目的的最重要的是拥有可以满足原理要求的PTC材料。

3 总结

综上所述，解决高功率锂动力电池安全性问题的唯一途径就是发展自激发安全保护技术但是这是一项十分艰苦的工作。但是，经过多年以来的不断发展和探索，在当前的相关方面已经或得了显著的进展。在其中的过充保护方面，可聚合单体添加剂已经正式的进入到实际应用中，并且电压敏感隔膜、氧化还原电对穿梭剂都已经或得了良好的效果。但是，当前在热控制方面的研究工作相较于其他方面，研究比较少，并且思路也更为单一性，还需要加强对此的研究。