當(dāng)前引發(fā)鋰離子電池熱失控的因素多種多樣，總結(jié)起來重要有過熱、過充、內(nèi)短路、碰撞等引起的發(fā)熱失控。如何提高電池的安全性，把熱失控的風(fēng)險(xiǎn)降至最低成為人們研究的重中之重。關(guān)于單電池來說，其安全性除了與正極材料相關(guān)外，還與負(fù)極、隔膜、電解液、粘結(jié)劑等其他電池組成部分有著很大關(guān)系。下面展開講述研究者們是如何在電池材料上降低電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)，提高鋰離子電池安全性。

一、正極材料

出于安全性考慮，正極材料要與電解液的相容性和穩(wěn)定性好。常見的正極材料在溫度低于650℃時(shí)是相比較較穩(wěn)定的，充電時(shí)處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。在過充的情況下，正極的分解反應(yīng)及其與電解液的反應(yīng)放出大量熱量，造成爆炸。鈷酸鋰、鎳酸鋰的熱穩(wěn)定都比較差，鎳鈷錳酸鋰三元材料由于其比容量高、具有較高的比能量密度，成為當(dāng)下正極材料的理想之選。然而三元材料中鎳的含量較高，材料的循環(huán)性能難以保證，熱穩(wěn)定性較差。

富鎳正極材料在高電壓(>4.3V)和高溫(>50℃)下循環(huán)過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌導(dǎo)致二次顆粒持續(xù)出現(xiàn)微裂縫。這些微裂縫斷開一次顆粒之間的電通路，在相轉(zhuǎn)變過程中釋放氧氣，導(dǎo)致電化學(xué)性能變差。JaephilCho教授課題組[1]通過對(duì)一次顆粒進(jìn)行納米表面修飾來克服富鎳正極材料的上述問題，經(jīng)過處理的一次顆粒表面復(fù)含鈷，通過抑制從分層結(jié)構(gòu)到巖石鹽結(jié)構(gòu)的變化來緩解微裂紋出現(xiàn)。而且，表面高氧化態(tài)的Mn4+在高溫下能夠降低氧氣的釋放，改善結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性。SangKyuKwark等人[2]提出一種提高鋰離子電池正極穩(wěn)定性的方法，先采用經(jīng)典的煅燒方法制備出NCA材料，然后將NCA浸入到醋酸鋰和醋酸鈷的混合溶液中，進(jìn)一步攪拌、蒸干、煅燒得到改進(jìn)的正極材料。有趣的是該方法制備的NCA顆粒之間填充著一層尖晶石構(gòu)型的鈷酸鋰晶體Glue-layer(G-layer)，能夠?qū)CA顆粒緊密的連接在一起，起到膠水的用途。可以提高顆粒之間的機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)活性粒子不穩(wěn)定的表面，從而增強(qiáng)電極的穩(wěn)定性。

Prof。YingjieZhu和XianluoHu合作[3]，采用羥基磷灰石超長納米線、科琴黑納米顆粒，碳纖維和磷酸鐵鋰粉末作為原料，通過簡(jiǎn)單的靜電輔助自組裝的方法成功的制備了一種既可以耐高溫、又具有活性物質(zhì)高負(fù)載量的新型磷酸鐵鋰復(fù)合電極(UCFR-LFP)，可以作為鋰離子電池正極(圖1)。在自組裝和抽濾的過程中，磷酸鐵鋰納米顆粒均勻得分散在高導(dǎo)電性且多孔的羥基磷灰石超長納米線/科琴黑納米顆粒/碳纖維基底中，從而形成自支撐、具有獨(dú)特復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰耐高溫正極材料，其具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和耐火性，即使在1000℃的高溫下也能保持其電化學(xué)活性和結(jié)構(gòu)完整性。

二、負(fù)極材料

負(fù)極材料的熱穩(wěn)定性與負(fù)極材料的種類、材料顆粒的大小以及負(fù)極所形成的SEI膜的穩(wěn)定性有關(guān)。如將大小顆粒按一定配比制成負(fù)極即可達(dá)到擴(kuò)大顆粒之間接觸面積，降低電極阻抗，新增電極容量，減小活性金屬鋰析出可能性的目的。SEI膜形成的質(zhì)量直接影響鋰離子電池的充放電性能與安全性，將碳材料表面弱氧化，或經(jīng)還原、摻雜、表面改性的碳材料以及使用球形或纖維狀的碳材料有助于SEI膜質(zhì)量的提高。解決碳負(fù)極材料安全性的方法重要有降低負(fù)極材料的比表面積、提高SEI膜的熱穩(wěn)定性。

三、隔膜

Prof。ZhenanBao和YiCui強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合[4]，報(bào)道了一種可有效防止鋰離子電池過熱起火的新技術(shù)，他們想在情況不可收拾之前關(guān)閉電池，通過在鋰離子電池中新增一個(gè)熱敏高分子聚合物薄膜開關(guān)材料，當(dāng)電池溫度過高就會(huì)迅速切斷電池內(nèi)電路，使之降溫；當(dāng)溫度降至正常，該聚合物薄膜又能恢復(fù)正常狀態(tài)，讓電池重新工作(圖2)。他們將具有石墨烯涂層的鎳鈉米粒子嵌入聚乙烯材料中，制備出一種輕薄又具有柔性的導(dǎo)電塑料薄，用這種聚合物膜組裝成的鋰離子電池，在正常的工作溫度下，電流很容易通過薄膜，電池可以正常充電和放電，但是當(dāng)電池的溫度升高到70℃時(shí)，聚乙烯開始膨脹，推動(dòng)鎳納米粒子彼此分開，這樣隔膜的導(dǎo)電性在短短的1s之內(nèi)就會(huì)降低1000億倍，電池中的電荷移動(dòng)停止，從而使電池的溫度下降。而且，當(dāng)溫度低于這種聚合物70℃時(shí)，該聚合物可以很容易的恢復(fù)到原來的構(gòu)型，導(dǎo)電性也恢復(fù)正常，恢復(fù)電池功能。

Prof。XianluoHu和YingjieZhu等人[5]成功的研發(fā)出一種新型羥基磷灰石超長納米線基耐高溫鋰離子電池隔膜，該電池隔膜除了具有柔韌性高、力學(xué)強(qiáng)度好、孔隙率高、電解液潤濕和吸附性能優(yōu)良的特點(diǎn)外，更重要的是熱穩(wěn)定性高、耐高溫、阻燃耐火，在700℃的高溫下仍可保持其結(jié)構(gòu)完整性。采用羥基磷灰石超長納米線基耐高溫電池隔膜組裝的電池在150℃高溫環(huán)境中能夠保持正常工作狀態(tài)，并點(diǎn)亮小燈泡，而采用PP隔膜組裝成的電池在150℃高溫下很快發(fā)生短路，可以有效提高鋰離子電池的工作溫度和安全性。