跟著(zhù)可更生動(dòng)力的開(kāi)發(fā)駕馭，鋰離子電池依據其高能量密度、長(cháng)輪回壽數、自放電小等特質(zhì)，被以為是最要緊的儲能才力之一。然則，由鋰離子電池熱失控惹起的火災或爆破紊亂頻發(fā)，打開(kāi)其安靜天性迫正在眼前。鋰離子電池熱失控發(fā)生源于電池外部遭到華侈，導致電池里邊孳乳鋰枝晶變成近距離、電極分清楚出氣體、易燃電解液割裂，然后發(fā)生燃爆。本文以鋰離子電池內部組件為起點(diǎn)，根據鋰離子電池熱失控機理計議，從鋰離子電池正負極及電解液等方面仔細解析了熱失控誘因；對熱失控進(jìn)程中電池內里的反應通過(guò)舉行了全部論說(shuō)；針對鋰離子電池熱失控提出了按捺鋰枝晶生息、安排電解液、減削正極氧開(kāi)釋、優(yōu)化隔膜等里邊立異戰略，概括鋰離子電池外部熱經(jīng)管以實(shí)施對鋰離子電池的外里雙浸掩蓋。
跟著(zhù)境況與動(dòng)力問(wèn)題的日益優(yōu)異，新動(dòng)力十分是質(zhì)樸動(dòng)力的開(kāi)辟使用仍然成為另日社會(huì )的首要需求與學(xué)術(shù)商酌的大旨。正在相投動(dòng)力領(lǐng)域協(xié)商中，二次電池由于挖掘較早，商酌較為老練，成為生意化駕馭最恢宏的動(dòng)力儲能電池。鋰離子電池以金屬鋰的氧化昌盛電對行為儲能-做功電對，具有比能量大、峰值功率高、輪回壽數長(cháng)等所長(cháng)，已被獨攬于各種小型電子創(chuàng )設及轎車(chē)動(dòng)力電池等規劃。
自1991年索尼公司初度揭曉商用鋰離子電池往后，鋰離子電池阛阓漸漸添加，走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)，成為人們淵博糊口中必弗成少的儲能修造，但鋰離子電池糊口的安定危險弗成小看。據邦度消防轉圜局計算，2022年接報的電動(dòng)自行車(chē)火災高達1.8萬(wàn)起，2023年電動(dòng)自行車(chē)失火數目更是不斷攀升，來(lái)到2.1萬(wàn)起。抵擋電動(dòng)轎車(chē)來(lái)說(shuō)，其職掌的電池組為數以百個(gè)單體電池并聯(lián)或是串聯(lián)形成，更是成倍彌補了失火吃緊。鋰離子電池慎重危險不只陶染電池本身的操作成效及壽數，更厲浸威迫人們的生命財產(chǎn)安靜。所以，處置鋰離子電池平和標題當務(wù)之急。
為失落平和工作發(fā)生，人們實(shí)施了大宗接頭，察覺(jué)由電池合座溫度升高而導致的熱失控是鋰離子電池盛世標題發(fā)生的嚴峻事理。熱失控進(jìn)程中，由于電池卓殊的里邊構成構制，甚至其正在高溫狀況下利便發(fā)生電池脹包，甚至氣體失手、著(zhù)火時(shí)局。所以，根據鋰離子電池的內部構成，從電化學(xué)因由視點(diǎn)咨議熱失控機理、誘因、原委，針對標題當地實(shí)施改性和籌算是教育鋰離子電池幽靜功能的不貳選擇。
20世紀初，美邦化學(xué)家Gilbert N. Lewis陳說(shuō)了鋰金屬電化學(xué)電位，被視為最早的鋰電池接頭。不過(guò)由于金屬鋰持平活動(dòng)，構兵氣氛和水極端不平定，正在隨后幾十年里金屬鋰的研討自投羅網(wǎng)。直至20世紀70年代，鋰電化學(xué)著(zhù)手迎來(lái)活力，逐漸走上交易化的敘講。2019年，瑞典皇家科學(xué)院將諾貝爾化學(xué)獎頒發(fā)了John B Goodenough、M. stanley Whittlingham、Akira Yoshino 3位對鋰離子電池顯現和繁榮具有精巧進(jìn)貢的化學(xué)家，再一次將鋰離子電池面向了研討中心。
鋰是原子序數最小、天然界中最輕、電極電勢最低的金屬（圖1）。四肢鋰電池的負極，鋰金屬元素并不是隨意揀選的。正在電池中，電子從負極流向正極，理思的電極材料該當是易開(kāi)釋電子的。而鋰金屬不只四肢最簡(jiǎn)略開(kāi)釋電子的元素之一，并且其低原子量、低光復電位，以及氧化光復始末中大方庫倫變卦，使鋰金屬四肢電池處事電極具有其全班人元素或化合物幾乎不害怕對立的優(yōu)勢。然則，鋰金屬的反映活性也成了其盛世性最大的下風(fēng)。
與其他們二次電池共同，鋰離子電池經(jīng)由具有化學(xué)勢差的正負極間的電化學(xué)回響告竣能量的儲蓄與開(kāi)釋。但異乎尋常的是，鋰離子電池源委Li+正在2種電極材料之間的可逆插層結束充放電，鋰離子電池是以也被體面地稱(chēng)作“搖椅電池”。圖2為鋰離子電池職司事理示妄圖，正在充電進(jìn)程中，正極質(zhì)料為電池發(fā)生電化學(xué)應聲需求滿(mǎn)足的Li+，發(fā)生的Li+正在電解質(zhì)的運送下，穿過(guò)隔膜Li+專(zhuān)屬通道，抵達負極材料。正在放電原委中，電子與Li+一起從負極動(dòng)身，電子通過(guò)外電敘來(lái)到正極，Li+由電解質(zhì)運送至正極，與電子糾合。
1）負極。鋰離子電池別致干流的負極質(zhì)料由諾貝爾獎取得者Akira Yoshino閃現的火油焦炭打開(kāi)而來(lái)（圖3（a）），首要為碳基負極、鈦酸鋰（Li4Ti5O12）和硅碳負極。以碳基材料為負極的電池正在初度充放電輪回中，會(huì )正在負極概括變成一層鈍化層，即固體電解質(zhì)界面（SEI）膜。SEI膜可看重負極材料與電解純厚接交兵而發(fā)生回響，正在灌輸電池熱失控中獻藝提神要腳色。
2）正極。鋰離子電池的正極材料眾為鋰金屬化合物（圖3（b）），網(wǎng)羅層狀氧化物（如LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiNi1-x-yCoxMnyO2）、尖晶石型氧化物（如LiMn2O4）、聚陰離子型化合物（如LiFePO4（LFP））等。正極材料正在鋰離子電池中不為其供給能量，只為鋰離子嵌入需求眾余的空間，但是其質(zhì)量和本錢(qián)卻抵達電池的50%以上。所以，本錢(qián)較低的錳、鎳氧化物漸漸拓荒，個(gè)中三元正極材料（NMC，LiNi1-x-yCoxMnyO2）尤為精巧，此類(lèi)電池具有能量密度高、壽數長(cháng)、綠色環(huán)保的所長(cháng)，但其熱慎重性較差，正在高溫存況下極易發(fā)火爆破。
3）隔膜與電解質(zhì)。鋰離子電池是一個(gè)由眾電池組件構成的編制，除正負極質(zhì)量外，還包蘊防護電池短道的隔膜和運送鋰離子的電解質(zhì)。隔膜坐落正負極之間，從物理上阻隔正負極，常用隔膜為聚烯烴微孔膜（如聚乙烯膜（PE）、聚丙烯膜（PP））。而電解質(zhì)是電池內里的“血液”，隔膜和電極孔隙都漫溢液態(tài)電解質(zhì)，其素因由有機溶劑、鋰鹽和彌補劑構成，正在充放電經(jīng)歷中，電解質(zhì)職掌正在正負極之間傳達鋰離子。與正負極相似，隔膜和電解質(zhì)對電池熱失控相同至合急急。
通過(guò)電化學(xué)反應式或許知曉，盡量鋰離子本身十分細微，但碳基負極需求6個(gè)碳原子本事容納1個(gè)鋰離子（LiC6），鋰的質(zhì)料分數甚至不到10%。鋰金屬低含量使得鋰離子電池的能量密度天然也不高，單個(gè)鋰離子電池的能量密度往往不可滿(mǎn)足把握央求。所以，為了得到高容量，素常需求將必定命意圖單體鋰離子電池以串聯(lián)或并聯(lián)或串并聯(lián)的事態(tài)接受成合用的電池組，如圖4所示。然則，正在鋰離子電池成組后的獨攬進(jìn)程中，由于單體電池的不一律性，會(huì )導致各個(gè)單體電池功能衰減速度不相仿，然后惹起一共電池編制的壽數及幽靜問(wèn)題。
以電動(dòng)轎車(chē)為例，電動(dòng)轎車(chē)支配的電池，吁請電池組內的各個(gè)電池必定抵達持平高的溝通性。假定正在電池組中活命一個(gè)畏怯少量幾個(gè)電池的共同性低于其通通人電池，那么正在電池組內電池較眾的狀況下實(shí)施充電時(shí)，就會(huì )暴露該電池充溢而其總計人電池還未充斥的氣候，倘若平昔給電池組充電，則該電池會(huì )發(fā)生過(guò)充境地，極易惹起安靜標題；而正在放電情狀下，容量低的電池電量依舊放完，導致電池組厭棄職司，而有的電池依舊又有電量，導致能量損耗現象。其他，由于電池組卓殊的職分境遇，會(huì )使其電池編制碰著(zhù)各式磕碰、止境溫度、重水、過(guò)充、過(guò)放等，對電池編制更是一個(gè)大離間。所以，為了設備一個(gè)更安靜、更牢靠的鋰離子電池編制，深化掃數清楚鋰離子電池幽靜標題特別厲浸。
鋰離子電池正在充放電通過(guò)中各電池組件互相影響滋長(cháng)熱量，導致電池溫度舉高，若熱量不可被破鈔，反而正在電池內里綿綿堆集，放熱反應加重，溫度接連上升，當溫度抵達電池飽嘗閾值溫度，便會(huì )進(jìn)入熱失控狀況。熱失控是一種自你加速的熱開(kāi)釋通過(guò)，熱失控時(shí)，電池內部電解液和其全班人電池材料支解，開(kāi)釋氣體（席卷氧氣和其你們易燃氣體），正在高仁慈壓力下終究導致電著(zhù)火，甚至爆破。
源于鋰離子電池卓殊的組成，電池內部各組件的電化學(xué)反應是導致電池熱失控的實(shí)質(zhì)道理。電池充放電經(jīng)由中負極側發(fā)生析鋰，變成鋰枝晶，刺穿隔膜導致短敘，為電池供給熱失控溫度。正極側氧化物材料高溫下分出氧氣，為電池供給點(diǎn)著(zhù)條件。結局電解質(zhì)中的易燃組分為電池供給充斥的燃料。筆據焚燒三方位可知，高溫、富氧、燃料充斥的條件下，焚燒爆破一觸即發(fā)。
1）負極—高溫。鋰十分活絡(luò )，正在初度充放電進(jìn)程中與電解質(zhì)反應天然生成一層留意的SEI膜。SEI膜掩瞞正在負極質(zhì)料外觀(guān)，是一種特別的離子導體。鋰離子或許亨通穿過(guò)SEI膜正在電極表面浸積，然則由于SEI膜的不褂訕性和鋰的高應聲活性，會(huì )導致Li+不均勻重積。雄壯來(lái)說(shuō)，Li+會(huì )先重積到電流密度較高的區域，這不可抗御地變成了突起的帶電“頂級”。而頂級周遭將變成更強的電場(chǎng)，蠱惑更眾的鋰一向加疾重積，終末發(fā)生鋰枝晶。豪爽鋒利的鋰枝晶不斷變成，終究刺穿隔膜，變成電池里邊近距離，宣布巨額熱量（圖5（a））。
2）正極—氧氣。鋰離子電池正極氧氣的開(kāi)釋是一個(gè)持久活命的標題。O2重要起原于正極材料正在充放電經(jīng)由中發(fā)生的結構相變。相變源委中晶格氧從正極資猜中脫出，以電子振動(dòng)耦合的花式將能量改動(dòng)至溶劑分子然后蛻變?yōu)镺2（圖5（b））。比如，三元鋰離子電池（NCM）正在獨攬經(jīng)由中便日子不可逆相改動(dòng)始末，即由層狀構制轉化為尖晶石相著(zhù)末變化為巖鹽相并分出O2，與NCM具有宛如結構的層狀氧化物相同活命不可逆相變問(wèn)題。
3）電解質(zhì)—可燃物。電解質(zhì)是電池中離子的載體，正在鋰離子電池正負極間傳導離子，形成電道。當今交易化鋰離子電池收回液態(tài)電解質(zhì)是鋰離子電池中最易燃的職位。不合于鉛酸電池的水電解液，鋰離子電池最常用的電解質(zhì)是由有機溶劑和低沸點(diǎn)的鋰鹽、添加劑構成的，是鋰離子電池中最利便焚燒起火的物質(zhì)，正在焚燒開(kāi)釋的能量中，電解液占電池最大嫻熟焚燒熱的50%以上。少量常用的有機溶劑的單個(gè)實(shí)踐如外1所示。
縱然鋰離子電池內部各組件糊口熱失控重要，但雄壯而言，電池組件以褂訕的結構活命于電池中，缺點(diǎn)發(fā)生率僅為1/40000。從來(lái)，電池組件發(fā)生卓殊電化學(xué)反應的誘因有以下2方面：一是電池本身組件缺點(diǎn)，如電極極片糊口毛刺、電池質(zhì)料有雜質(zhì)、正負極當地偏移、電解液暴露等；二是電池遭到外部消耗，蘊涵機械糜擲、電浪擲、熱亂用。以上兩者均會(huì )導致電池內部構制遭到阻撓，引誘卓殊電化學(xué)反應發(fā)生，放出大宗熱量。若這些熱量沒(méi)有被抵消，會(huì )導致電池卓殊升溫，然后催化電池內部反應速度呈指數式延伸。現在，跟著(zhù)電池保護工藝的打開(kāi)及電池的分選，電池本身構成缺點(diǎn)的發(fā)生概率緩慢減小。相反，跟著(zhù)鋰離子電池越來(lái)越宏壯地安排，電池遭到虛耗的現象漸漸補償。
鼓勵電池熱失控的首要損失如下。（1）呆板奢侈。重要由外力惹起，比如，電池遭到磕碰、揉捏、針刺，致使隔膜打倒、電解液泄露等，然后惹起電池內里短道。（2）電奢侈。席卷電池短說(shuō)、電池過(guò)充放等。正在電池的充電進(jìn)程中，若電池長(cháng)時(shí)間貫串電源，會(huì )導致電池能量過(guò)剩、產(chǎn)熱產(chǎn)氣加重、電池內部壓力增大、電池變形，電池安閑遭到挾制。與尋常充電比較，由于十分的副功用和內阻的彌補，過(guò)充電時(shí)分的加熱比過(guò)放電更具窒礙性。（3）熱奢侈。競賽于機械虛耗和電浪費，熱華侈常常由電池過(guò)熱惹起。究其實(shí)質(zhì)，呆板糟塌、電損失終究都將導致熱糟塌的發(fā)生。雖然熱糟塌很少孑立日子，但卻是激起熱失控的直接道理。熱失控誘因如圖6所示。
Barkholtz等收回熱重領(lǐng)會(huì )（TGA）、差示掃描量熱法（DSC）和溫度區分X射線(xiàn)衍射（TR-XRD）相勾結的辦法，從眾程序協(xié)商了差異以L(fǎng)iCoO2（LCO）、LiFePO4（LFP）和LiNixCoyAl1-x-yO2（NCA）3種材料舉動(dòng)電極的鋰離子電池的熱慎重性（圖7（a））。考察效果注腳，熱失控時(shí)，電池內正在差異溫度下發(fā)生一系列連鎖應聲。周到來(lái)道，重要觸及3個(gè)階段反應。（1）熱啟動(dòng)。電池開(kāi)首過(guò)熱是熱失控的初始階段，正在尋常的充放電始末中或許非平常境況下均能發(fā)生。（2）熱回響。跟著(zhù)溫度的展開(kāi)，鋰離子電池發(fā)生電解質(zhì)界面（SEI）崩潰、負極Li+與電解質(zhì)反應、隔膜融解、正極材料崩潰以及電解質(zhì)崩潰等電化學(xué)反應（圖7（b））。（3）熱失控。易燃電解質(zhì)被熱反應經(jīng)歷開(kāi)釋的氣體和堆集的熱量鼓勵點(diǎn)著(zhù)。個(gè)中，熱應聲階段是電池內里發(fā)生非尋常電化學(xué)應聲的始末，這些源委導致電池溫度展開(kāi)，產(chǎn)熱速度填充，然后又觸發(fā)更眾的放熱反應，這種鏈式機制一向接連到熱資質(zhì)速度來(lái)到巔峰。
1）SEI膜支解。SEI膜嚴峻起頭于電解液割裂，其組分蘊涵LiF、LiCl、Li2O和大宗的Li2CO3。外面上，褂訕的SEI膜是Li+的精深導體，答應Li+進(jìn)程并進(jìn)入負極質(zhì)料。一起SEI膜對電子絕緣，能側重電解質(zhì)從負極材料取得電子。但是，由于SEI膜構成成不合學(xué)性質(zhì)不不亂，當溫度正在90~120℃時(shí)開(kāi)首發(fā)生了解反應，如若沒(méi)有外部降溫身手，該通過(guò)活動(dòng)向前，直至SEI膜通通支解。SEI膜的支解溫度最低，被認為是著(zhù)手開(kāi)端的放熱反應。
2）負極與電解質(zhì)反應。跟著(zhù)電池內里SEI膜素常割裂，SEI膜快速節省，當溫度萬(wàn)分120℃，嵌入正在碳負極中的鋰開(kāi)端與電解質(zhì)溶液發(fā)生放熱反應。250~300℃時(shí)，SEI膜一共割裂，電池負極與電解質(zhì)通盤(pán)比武，反應素常積蓄熱量。此刻，電池里邊各構成要素裂學(xué)本質(zhì)怠緩靈活。
3）隔膜融解。隔膜坐落正負極之間，能留意發(fā)生電池里邊近距離，是鋰離子電池的合節質(zhì)量，對電池凄清工作至合重要。跟著(zhù)電池負極活性物質(zhì)與電解液放熱反應綿綿發(fā)生，電池溫度連接遍及，電池隔膜下手發(fā)生合孔，直至溫度抵達隔膜熔點(diǎn)（PE：135℃，PP：165℃），隔膜發(fā)生熱緊縮畏縮熔融體面，導致電池內部近距離，飽舞電池巨額放熱。
4）正極熱支解反應。當電池里邊溫度升高異常200℃，鋰離子電池正極材料正在高溫下開(kāi)首割裂。伴隨熱解反應的發(fā)生，氧氣被開(kāi)釋出來(lái)，電池顯現脹包田產(chǎn)。開(kāi)釋出的氧氣當即與電解液發(fā)生反映，分出巨額一氧化碳、二氧化碳。
5）電解質(zhì)割裂反應。鋰離子電池電解液具有好像汽油的易燃特質(zhì)。當電解液曰鏹電池熱反應階段堆集的熱量和分出的氣體，電解液發(fā)生點(diǎn)著(zhù)，窒礙力極強。單個(gè)電池的失火平昔宣傳到左近的電池，致使焚燒一共電池組。
正在鋰離子電池中，電池的每個(gè)組件及構成電池組的每個(gè)單體電池的安定性都直接感染了其平常駕馭。所以，為了打開(kāi)電池對熱失控的阻難才調，衰頹電池專(zhuān)攬源委中的禍兆性，從電池內部組件、外部電池組熱經(jīng)管兩層視點(diǎn)，對電池幽靜駕馭提出了立異戰略。
正在向日的幾十年里，石墨和硅質(zhì)量被用作負極材料來(lái)負載Li+，其具有比金屬鋰負極更精巧的慎重性和耐熱性。但是，它們保存不可留意鋰枝晶的生息標題。鋰枝晶正在輪回中會(huì )支解并滋長(cháng)“死鋰”，導致電池容量不可逆升天、輪回庫倫成效消浸，以及電解液接連被破耗和降解。最喪命的問(wèn)題是，鋒利的枝晶極易刺穿眾孔隔膜，導致內短敘和熱失控。鋰電之父Goodenough課題組進(jìn)一步評釋溫度對鋰枝晶的成核和茂盛具有嚴峻浸染（圖8）。正在墟市需求的高電流密度和高倍率下，鋰離子電池辦法老是伴隨著(zhù)大方的熱量成長(cháng)和渙散。電池材料和構制的控制使得成長(cháng)的熱量難以實(shí)時(shí)消除而堆集，然后導致電池內里溫度遍及。鋰的重積速度正在個(gè)人高溫處快速高潮，正在搶手場(chǎng)所重積更眾的鋰，導致了不可逆的鋰枝晶變成。熱失控時(shí)，電池的十分升溫加速鋰枝晶稟賦，激起電池災難性安靜問(wèn)題。正在負極側，為按捺鋰枝晶的滋長(cháng)，商量者實(shí)施進(jìn)程構修人工SEI膜、安排3D結構鋰負極、建筑親鋰位點(diǎn)等程序以彌補鋰重積的均勻性，刪去鋰枝晶的滋長(cháng)，然后慎重電池短道，節省熱失控發(fā)生。
1）人工SEI膜。SEI膜四肢包庇正在負極質(zhì)量上的粉飾層，是一個(gè)優(yōu)異的離子導體，它無(wú)妨正在必定水準上重染Li+的浸積。然則，SEI膜正在熱慈祥性較差和高溫條目下會(huì )支解，導致Li+不均勻重積形成鋰枝晶。是以，制備具有杰出慎重性和機械性的人工SEI膜是節省鋰枝晶蕃昌的有用辦法。其他，正在負極與電解質(zhì)之間建筑人工SEI膜，還或許有用距離負極與電解質(zhì)的反應，省掉熱量開(kāi)釋。康奈爾大學(xué)Lynden Archer團隊根據糾合物正在與高能底物交兵的溶液中會(huì )希望吸附形成構型駁雜的扎實(shí)相的道理，將低分子量PEG（聚乙二醇）希望吸附正在鋰負極上，制備出了褂訕的聚集物吸附界面（圖9（a））。該界面的先天加速了界面離子傳輸、抑遏了鋰枝晶的茂盛，減省了短道發(fā)生概率。中山大學(xué)的吳丁財團隊通過(guò)外面鼓勵的原子改動(dòng)自正在基，選用纖維素納米纖維，通過(guò)簡(jiǎn)明的滴注法制備了一種超結構單離子導電聚集物刷SEI膜。該人工SEI膜無(wú)妨一起得回高刻板強度、高離子電導率和低界面阻抗，并經(jīng)歷負電荷-SO3-官能團之間的強靜電斥力，對枝晶的絡(luò )續茂盛也顯現很強的制止感染（圖9（b））。
2）3D鋰負極結構布置。三維材料具有眾孔交勾結構、比皮相積高和機械功能好等物理性情。將三維質(zhì)量用作金屬鋰負極，無(wú)妨正在鋰重積/溶化始末中有用灰心一邊電流密度和均勻電場(chǎng)渙散，緩解鋰浸積/溶化始末中的體積改變，宣揚鋰的均勻成核和留意重積，節省鋰枝晶的資質(zhì)。斯坦福大學(xué)崔屹教講課題組行使原子層重積（ALD）妙技制備了一種涂層空心碳球（HCS）的新式3D電極（圖9（c））。經(jīng)歷原子層重積正在空心碳基體上的薄層涂層或許指揮空肚碳球內部的鋰浸積，將鋰封裝正在平定的宿主內。一起始末密封空心碳球外殼上的針孔有用側重了電解質(zhì)分泌，赤貧了鋰與有機電解液的寄生應聲，熱失控鏈式機制被打斷。
圖9 PEG吸附集結物SEI膜（a）、糾合物刷SEI膜（b）、原子層重積空肚碳球3D負極（c）及SAM@NG組成進(jìn)程（d）
3）構修親鋰位點(diǎn)調控鋰重積。金屬鋰由于具有較強的吸附性，Li+老是優(yōu)先正在親鋰當地成核。源委構修親鋰位點(diǎn)，調劑鋰的成核行徑，有利于抑遏鋰枝晶的滋長(cháng)。正在鋰基材估中摻雜單原子（SA）金屬變成活性位點(diǎn)是最常睹的親鋰位點(diǎn)構修辦法。北京航天航空大學(xué)宮勇吉揀選了Mn、Ni、Co、Zn、Cu、Zr6種非貴金屬原子錨定正在氮摻雜的3D石墨烯上（SAM@NG），將其四肢指揮鋰均勻浸積/剝離的宿主（圖9（d））。原委建筑具有沃腴M-Nx位點(diǎn)的褂訕M-Nx-C機合（個(gè)中M、N和C割裂代外金屬、氮和碳原子），對金屬原子周?chē)膯蝹€(gè)化學(xué)境況舉行調控，然后惹起鋰正在親鋰位點(diǎn)上聚集能的變卦。會(huì )集第一性事理妄圖，取得結構具有沃腴位點(diǎn)，大外觀(guān)積，為鋰重積需求了眾余的空間，并且該摻雜負極有用地失落了斷部電流密度，結束了均勻的電荷分布。所以，鋰的浸積被單個(gè)正在3D結構的逍遙中，而不是正在大約上。優(yōu)化的SAM@NG正在區其他電流密度和姿容量條件下具有精巧的鋰重積/剝離天性、低成核過(guò)電位，有用箝制了鋰枝晶的成核成長(cháng)。
正在羼雜的鋰離子電池編制中，電解質(zhì)不只飽嘗著(zhù)傳輸Li+的職司，也上演著(zhù)電池熱失控燃料的腳色。電解質(zhì)的成效直接感導到一齊電池的電化學(xué)功能及安定天性。為清楚決這一問(wèn)題，行使不易燃的代替品對電解質(zhì)實(shí)施代替成為商量者公認的有用才干。
1）液體電解質(zhì)加添劑。抵擋當今交易化的液體電解質(zhì)，醫療其構成是優(yōu)化電解液的第1步。不可燃或阻燃溶劑、彌補劑等被協(xié)商以升高液體電解質(zhì)不可燃性。這些化合物經(jīng)由崩潰發(fā)生磷或氟自正在基來(lái)到消滅電池熱失控身手害怕成長(cháng)的活性氫/氫氧化物自正在基的效果。離子液體、低分子量氫氟醚不易燃，溫度鴻溝廣，是鋰離子電池常睹的擴展劑。中邦科學(xué)院姑蘇納米身手與納米仿生研討所吳曉東將不燃的氫氟醚慵懶稀釋劑與[BMP]TFSI離子液體溶劑相糾合，一起收回超低濃度（0.1mol/L）的雙氟草酸硼酸鋰（LiDFOB）行為鋰鹽，順利制備出了一種可把握于寬溫度極限和高電壓鋰金屬電池辦法的新式電解液（圖10（a））。推廣批注，新筑立的電解質(zhì)辦法正在擔保電解質(zhì)平常使命的一起，昭著(zhù)失落了電池的可燃性，致使打開(kāi)了電池的電化學(xué)成效。跟著(zhù)[BMP]TFSI含量的添補，電解質(zhì)自熄技能縮小，熱慎重性升高。個(gè)中，擴張30%[BMP]TFSI的電解質(zhì)泄漏出最佳的阻燃性和電化學(xué)成效的均勻。該篩選水準下的電解質(zhì)辦法具有較高的熱不亂性和顯著(zhù)較高的氧化電位，有利于Li+的不亂嵌入和區分，打開(kāi)了SEI膜的褂訕性，顯現出特別的輪回天性和高安定性。
圖10 [BMP]TFSI離子液體電解質(zhì)（a）、聚氨酯基固態(tài)聚集物電解質(zhì)（b）和固態(tài)結合物電解質(zhì)LPIFD組成進(jìn)程及阻燃實(shí)施（c）
2）固態(tài)電解質(zhì)。安靜性高的固態(tài)電解質(zhì)是新一代電池安靜電解質(zhì)的理思采選，固態(tài)電解質(zhì)具有防暴露、不易蒸騰以及高出刻板平定性等優(yōu)勢，代替有機液體電解質(zhì)，無(wú)妨有用箝制電池熱失控而惹起的電解質(zhì)焚燒。其他，合理的固態(tài)電解質(zhì)方案，亦能有用不準鋰枝晶滋長(cháng)。PEG、聚環(huán)氧乙烷（PEO）和聚氨酯（PU）是固態(tài)電解質(zhì)最常用的材料，其可燃性低于常睹的有機液體電解質(zhì)。正因如此，固態(tài)電解質(zhì)成為當今鋰離子電池的磋議大旨。華中科技大學(xué)黃云輝團隊通過(guò)共價(jià)鍵將反應性阻燃劑單位引進(jìn)集結物結構，然后建立修造出一種不易燃、可拉伸的聚氨酯基固態(tài)結合物電解質(zhì)（圖10（b））。一起，經(jīng)歷接枝剛性苯環(huán)單位升高了聚集物骨架的呆板強度，然后顯著(zhù)不準了鋰枝晶的茂盛。所以，該固態(tài)電解質(zhì)正在與火焰構兵6s后也不會(huì )焚燒，暴露了異常的幽靜天性。美邦馬里蘭大學(xué)王春生、Srinivasa R. Raghavan和美邦阿貢邦度試驗室Anh T. Ngo等方案了一種根據調集物共混物的單個(gè)高濃度固態(tài)蟻閉物電解質(zhì)LPIFD（圖10（c））。LPIFD是一種個(gè)人高濃度糾合物電解質(zhì)，由2種可混溶糾合物構成：Li-齊集物和F稀釋劑（慵懶氟化聚集物）。F稀釋劑對Li+傳導具有慵懶激動(dòng)，具有較高的呆板強度。其他，Li-會(huì )集物具有高鹽含量，供給了高Li+傳導，有助于形成富LiF的SEI膜，有用地制勝了鋰枝晶的蕃昌。至合慌亂的是，Li-聚集物與F稀釋劑的高混溶性消滅了相界限，進(jìn)一步升高了限制鋰枝晶的手工。枝晶的刪去防衛了電池內部近距離，打開(kāi)了電池安靜性。
鋰離子電池熱失控進(jìn)程中的氧重要來(lái)自正極材料的熱支解，對正極質(zhì)料實(shí)施預備是減省氧氣開(kāi)釋的直接舉動(dòng)。正在古代的正極材估中，不不亂的層狀氧化物正極正在加熱時(shí)極易開(kāi)釋氧氣。比如，常用的LiCoO2正極正在180℃以上簡(jiǎn)略了解，并伴有狠惡的放熱。元素摻雜和表面涂層是鋰離子電池正極材料2種常用的改性式子。
1）元素代替是指正在正極質(zhì)量結構中到會(huì )外部陽(yáng)離子或陰離子，譬喻，用Mg、Ti、Zr、Ga、F、Al等金屬陽(yáng)離子替代Ni、Mn等元素前進(jìn)層狀氧化物正極的晶體結構平定性，然后打開(kāi)熱褂訕性，儉省氧的開(kāi)釋。北京家當大學(xué)尉水兵團隊進(jìn)程將高價(jià)鉭摻雜到富鋰層狀物正極中，診治過(guò)渡金屬的電子結構，變成較強的Ta—O鍵，消沉Ni—O鍵的共價(jià)性，然后不亂了晶格氧，制止了氣體（O2和CO2）的開(kāi)釋?zhuān)蛏狭虽囯x子電池正極質(zhì)量正在電化學(xué)輪回通過(guò)中的結構/熱平定性。
2）外面涂層則是引進(jìn)慵懶包庇層來(lái)慈祥電極-電解質(zhì)溶液界面，防衛正極和電解質(zhì)的直接觸摸發(fā)生副應聲。涂層質(zhì)量然則以Al2O3、ZnO、MgO、TiO2等金屬氧化物，過(guò)渡金屬磷酸鹽AlPO4也被宏壯用于正極材料涂層，其他，聚二烯丙基二甲基氯化銨等有機薄膜，γ-丁內酯添加劑和碳酸乙烯、1，3-亞亞丙烯、二甲乙酰胺等眾組分添加劑形成的保持膜也可駕馭于涂層。廈門(mén)大學(xué)楊勇團隊針對處事正在4.6V（vsLi/Li+）及以上的LiCoO2，使用Co（OH）2和LiH2PO4原位化學(xué)反應，合理規劃了一種新式的晶格成親耐高壓橄欖石型LiCoPO4（LCPO）涂層，機合出現如圖11所示。LCPO涂層由原位化學(xué)反映衍生而來(lái)，外延生息正在LiCoO2晶體上，與LiCoO2具有強鍵合熏陶，確保了平定的正極-電解質(zhì)界面，減削了卓殊副反應。其它，正在界面處變成的強共價(jià)P—O四面體構型有用地失落了LiCoO2的概括氧活性，脅制了氧的開(kāi)釋和不可逆相變。
正在電池編制中，除了電極與電解質(zhì)，隔膜也是電池里邊平定電道的不可割裂的一小我。倘若隔膜不是電池的活性組分，從來(lái)不到會(huì )電池的化學(xué)回響，但它們正在電池平和中起著(zhù)要道功用。隔膜坐落電極之間，從物理上遠隔正負極，側重了電池短道的發(fā)生，而當隔膜被電解液潮濕后，Li+又能順利始末隔膜正在電極之間翻滾。理思的隔膜質(zhì)量正在電池過(guò)熱時(shí)，應放膽離子的傳輸，防范發(fā)生熱失控景遇，擔保電池安靜；還應具有高呆板天性，以支撐隔膜齊備性，當心其受熱連續或崩塌導致電池內部短道。為了展開(kāi)電池隔膜的熱慎重性bat365，商酌者開(kāi)發(fā)了高耐熱隔膜和無(wú)機陶瓷隔膜。
1）高耐熱隔膜是根據聚偏氟乙烯（PVDF）、聚酰亞胺（PI）、聚苯并咪唑（PBI）、聚丙烯腈（PAN）、聚苯基對苯二甲酰胺（PPTA）、聚氨酯等會(huì )集物而安插的隔膜。高耐熱隔膜具有優(yōu)異的耐化學(xué)性、高拉伸強度、精深的電解質(zhì)潮濕性和阻燃性。上海交通大學(xué)萬(wàn)佳雨和華南理工大學(xué)陶勁松團隊將十溴二苯乙烷（DBDPE）和納米纖維（CNF）引進(jìn)PI中，制備出具有清楚的阻燃性和拔尖的電解質(zhì)潮濕性的復合隔膜（圖12（a））。該復合隔膜正在DBDPE的幫助下，具有高孔隙率，其他由于CNF的引進(jìn)，隔膜具有較高的電導性呆板天性，正在室溫下，獨攬該隔膜的電池顯現出與聚丙烯（PP）隔膜適當的天性。當舉行熱進(jìn)犯掌握時(shí)，職掌該隔膜的電池察覺(jué)出清楚優(yōu)于PP的電池熱平定性。
2）無(wú)機陶瓷隔膜安閑性下手于無(wú)機顆粒的高耐熱性。正在隔膜中引進(jìn)陶瓷涂層后，隔膜熔點(diǎn)和呆板強度獲取看重。廈門(mén)大學(xué)趙金保團隊正在高耐熱性陶瓷隔膜的本源上，進(jìn)一步繕治APP阻燃顆粒，制備了雙收成陶瓷隔膜（APP-CCS@PFR）（圖12（b））。其高耐熱性基膜無(wú)妨有用留意電池正在高溫下發(fā)生內近距離，而阻燃成效涂層會(huì )正在高溫下割裂先天翔實(shí)的保持層，將正極開(kāi)釋的活性氧與電池內可燃物阻隔，一起將電池內的易燃物碳化，變成不易燃的焦炭層，然后將劇烈的焚燒放熱反映轉換為輯睦的怠緩放熱反映。
正在電池的本質(zhì)安排中，鋰離子電池時(shí)常以電池組的體面駕馭，其工作工況羼雜，單體電池更便當遭受華侈而惹起熱失控，然后導致電池組的不一致性，效果導致全部電池組癱瘓。是以，除了電池內部各組件在外的優(yōu)化，電池的熱拘謹對鋰離子電池操縱凄清尤為首要。鋰離子電池升溫冷卻花式首要有氣氛冷卻、液體冷卻、相變冷卻及熱管冷卻。
1）氣氛冷卻所以氣氛為冷卻介質(zhì)，進(jìn)程氣氛對流對電池過(guò)熱舉行降溫。根據氣氛冷卻結構簡(jiǎn)略、便于恭順、本錢(qián)低一級優(yōu)勢，是當今安排最汜博的冷卻樣式，如圖13（a）所示。氣氛冷卻樣式無(wú)妨分為天然氣氛對流和外部筑筑（如電扇）強制對流冷卻，兩者不合正在于氣氛對流速率的割裂。風(fēng)冷式電池熱處置編制能供給最簡(jiǎn)明的散熱樣式，但氣氛冷卻存在著(zhù)散熱才力小、難以支撐電池組各單體電池溫度調和的缺少，這將導致電池組散熱較差的單體電池衰減加速。
2）液體冷卻所以冷卻液（如水、乙醇、礦物油等）為冷卻介質(zhì)，進(jìn)程液體冷卻介質(zhì)的高導熱性舉行散熱。液體冷卻能正在短身手內有用消浸電池組溫度，擔保電池正在凄清工作溫度極限內。筆據冷卻介質(zhì)不合的構兵手法，可將液體冷卻分為直接交兵和直接構兵。直接交手是將電池組直接重泡正在冷卻介質(zhì)中，直接構兵苦求冷卻介質(zhì)具有高出的絕緣性、導熱性及質(zhì)量無(wú)重淪性。直接比武即選用管線(xiàn)或夾套四肢中心傳熱安排，正在管道內經(jīng)歷冷卻液抵達降溫效益。由于液冷中冷卻介質(zhì)的密度比氣氛大得眾，是以液冷散熱結構的質(zhì)地遠高于風(fēng)冷結構。哈爾濱工業(yè)大學(xué)馮宇團隊放置了一種具有眾通道的新式錐形通道散熱器（圖13（b）），以打開(kāi)電池溫度均勻性，哀痛電池熱控制編制的功耗。該團隊領(lǐng)會(huì )競賽了8種割裂妄圖的電池最高溫度和溫差、溫度不均渙散參數和功耗天性，一起，理會(huì )了阻誤冷卻戰略對液冷編制溫度均勻性的教化。收效聲明，收回錐形流形機合或許清楚升高熱交換編制的冷卻天性，與矩形流形機閉比較，其功耗或許頹喪30%以上，且熱溝通成效杰出。擴張通說(shuō)數或許展開(kāi)熱功能，但功耗添補。
3）相變冷卻是通過(guò)相變材料之間的物相調集來(lái)吸取電池的熱量，然后對其降溫。相變材料（PCMs）是一種收成材料，或許正在不搬運溫度的局勢下修訂其景況（圖13（c））。當溫度委靡時(shí)，儲蓄的能量或許經(jīng)由從液體到固體的相變開(kāi)釋到狀況中。相反，跟著(zhù)溫度的遍及，這些質(zhì)料以潛熱的事勢招徠熱能。不過(guò)，古代的PCM糊口失手、窩囊性和耐性差等舛訛，不可滿(mǎn)足赤貧、歪曲和拉伸的乞請。根據此，西南交通大學(xué)袁艷平與上海交通大學(xué)李廷賢進(jìn)程實(shí)施依據正在特質(zhì)齊集物或眾孔攙扶基體中嵌入微分子PCMs取得的姿態(tài)平定的相變質(zhì)量（FSPCMs），有助于限制由液體泄露惹起的不可逆拆臺。其將相變材料白臘（PW）嵌入C—C鍵加強的苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯和烯烴嵌段共聚物（SEBS-OBC）的雙聚集物網(wǎng)絡(luò )機合中，告竣了相變材料的定形封裝，正在加熱-冷卻輪回條目下，該相變質(zhì)料或許包庇拔尖的熱平定性和柔性。
4）熱管冷卻是選取熱管舉動(dòng)電池傳熱元件，仰仗熱管內部氣液相變舉行高溫散熱。熱管由蒸騰段、冷凝段和絕熱段構成，降溫進(jìn)程中熱管蒸騰段起頭源委內部介質(zhì)汽化招徠熱量，蒸汽通過(guò)絕熱段抵達冷凝段凝集，凝集液體后續從頭輸送至蒸騰段，然后不斷輪回，來(lái)到冷卻的傾向（圖13（d））。華夏科學(xué)院大學(xué)蔣方明提出了一種用于圓柱形鋰離子電池組熱照顧的新式緊湊型冷卻編制，該編制是相變質(zhì)料和熱管冷卻編制的羼雜。熱管材料管揀選鋁拓荒的，并且進(jìn)程特別妄圖，無(wú)妨充斥獨攬嚴密構兵的圓柱形電池之間的空閑。很少環(huán)形薄翅片集團成型到熱管冷凝段，健壯了對情狀的對流浪熱。相變質(zhì)料為白臘，熱督工質(zhì)為丙酮。研商顯現，正在高電流密度放電進(jìn)程中，天然氣氛對流至25℃境況條件下，修造徹底的殽雜冷卻辦法無(wú)妨將電池模塊的最高溫度和最大溫差支解獨攬正在47.7℃和2.5℃獨攬。
從鋰離子電池內里組件起程，領(lǐng)會(huì )了熱失控機理、誘因、回響通過(guò)。鋰離子電池遭到外界浪擲，電池里邊負極鋰枝晶茂盛刺穿隔膜鼓勵短講，放出很多熱量，正極受熱分詮開(kāi)釋氧氣，易燃電解液交兵高溫、氧氣觸發(fā)著(zhù)火爆破。鏈式機制非平常放熱應聲是鋰離子電池慎重危險的由來(lái)。將電池內部電極材料優(yōu)化和外部電池熱捆綁相集結是處置鋰離子電池熱失控的最優(yōu)安插。電極質(zhì)料方案要緊糾合正在優(yōu)化負極按捺鋰枝晶成長(cháng)、政策阻燃電解質(zhì)節省可燃物、優(yōu)化正極節省氧開(kāi)釋以及妄圖杰出刻板天性的隔膜上。而熱經(jīng)管進(jìn)程氣氛、液體、相變以及熱管等介質(zhì)對過(guò)熱的電池降溫，招徠電池滿(mǎn)足的熱量，使電池溫度依舊正在平常工作極限內，進(jìn)一步防護了熱失控的發(fā)生。
跟著(zhù)計議者對新質(zhì)料的不斷查找，電池的天性和慎重性仍然得到了光鮮的培養。但是，電池平和照樣是一個(gè)推絕傲睨的標題，需求正在另日的接頭中給予更眾的諒解。開(kāi)首，從電池質(zhì)量的視點(diǎn)來(lái)看，策劃更幽靜的電池材料是至合重要的，卓殊是對鋰枝晶蕃昌的箝制以及對阻燃電解質(zhì)的開(kāi)發(fā)。鋰枝晶正在電池充放電通過(guò)中刺穿隔膜，導致電池里邊近距離，形成電池溫度大幅打開(kāi)，極易惹起熱失控。其他，阻燃電解質(zhì)的運營(yíng)開(kāi)墾也是前進(jìn)電池安定性的重要標的。拘泥的電解質(zhì)正在高溫或近距離局勢下害怕會(huì )鼓勵失火，而阻燃電解質(zhì)則或許正在必定水準上阻撓火勢的延伸，然后向上電池的慎重性。除了電池質(zhì)量本身的安定性外，電池外部的熱照顧相同是確保電池高安靜性的重要舉動(dòng)。電池正在任分經(jīng)由中會(huì )顯現豪爽的熱，倘若不可實(shí)時(shí)有用地散熱，就畏縮導致電池熱失控，然后激起平和問(wèn)題。所以，需求支配更杰出的熱捆綁辦法，始末優(yōu)化散熱結構、選取高效的散熱材料等辦法，來(lái)確保電池正在任業(yè)經(jīng)歷中的溫度萬(wàn)世相接正在幽靜駕馭內。總的來(lái)敘，疇昔的電池本事研討需求正在確保天性選拔的一起，特別重視電池的安靜性。始末策畫(huà)更安閑的電池材料和優(yōu)化熱經(jīng)管編制，實(shí)施高功能、高盛世性的電池才力打垮。
作家簡(jiǎn)介：李存璞，重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶大學(xué)鋰電及新材料遂寧協(xié)商院，教員，協(xié)商意圖為鋰金屬硫電池和有機電化學(xué)組成；魏子棟（通訊作家），重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶大學(xué)鋰電及新材料遂寧接頭院，練習，接頭方向為新動(dòng)力質(zhì)料化學(xué)與化工。
本文經(jīng)授權轉載自微信大眾號“科技導報”，原文告示于《科技導報》2024年第12期，原標題為《鋰離子電池的熱失控與凝睇》。
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