锂离子电池针刺安全性提高的方法-贝尔试验箱

小编通过引用网络文献，针对锂离子电池针刺机理及安全性改善，从影响锂离子电池针刺安全性的因素、提高锂离子电池针刺安全性的方法及作用机理、锂离子电池针刺引发热失控的机理研究三个方面总结归纳了国内外最近的研究进展，梳理了针刺机理的研究思路，以期为锂离子电池的安全设计提供参考。

2、提高锂离子电池针刺安全性的方法

提高锂离子电池针刺安全性的方法包括：降低锂离子电池的容量/荷电态、增大接触电阻、材料优化等。由于降低容量/荷电态等不能从根本上改善锂离子电池的针刺安全性，因此需要通过材料优化设计，提高其针刺安全性。

2.1隔膜优化

Y.M.Deng等采用粘性层+陶瓷层隔膜，由于粘性涂层的作用，隔膜在加载力的方向具有较好的延展性，因此，针刺时能够部分填充针孔，在一定程度上阻止正负极短路。类似地，B.Jung等的研究表明，通过在PE基膜表面涂覆非水性陶瓷层，如Al2O3、Mg(OH)2，能够提高隔膜耐热温度至200℃，减小内短路时的热收缩，从而提高针刺安全性。其中，涂覆Mg(OH)2的隔膜延展性更好，而涂覆Al2O3的隔膜脆性较大，前者在针刺点附近更不易破碎，因此，针刺热失控风险降低。

J.H.Chen等采用玻璃纤维与聚丙烯酸酯制成复合隔膜(GFP)，热稳定性显著提升，350℃保持30min，无热收缩。与PE隔膜相比，采用GFP隔膜制成的锂离子电池针刺安全性显著提升，同时与电解液浸润性改善，功率和寿命提升。

综上所述，采用功能型隔膜设计，一方面提高了隔膜的耐温性，减小针刺点附近的隔膜热收缩，从而降低针刺内短路产热;另一方面，通过功能涂层提高隔膜的延展性，在一定程度上降低正负极短路程度，也可以提高针刺安全性。

2.2集流体优化

针刺时，在集流体上产生放射状裂纹，使极片分裂成花瓣状的劈锋，当隔膜失效时，正负极的劈锋会互相接触，形成内短路。因此，通过减少劈锋的数量，可以抑制内短路。M.Wang等采用光刻等方法，在集流体上刻蚀特定规则形状的图案，对电池容量、循环影响不大，在针刺时由于预制缺陷的存在，针刺点附近劈峰断裂，内短路面积减小。采用上述集流体制备电池进行针刺实验，结果表明，集流体改性后的满电态电池针刺时温升与常规电池放电态温升相当M.T.M.Pham等采用以聚合物为基底、涂覆铝/铜的箔材分别作为正负集流体制成的18650锂离子电池100%通过针刺测试，而对照组全部热失控。其中，聚合物涂覆铝的集流体对改善热失控起到关键作用，原因在于针刺点附近的铝箔熔化导致电子回路被切断，内短路中止。已有研究证实，铝箔与满电态负极之间的短路是导致针刺热失控的关键因素，因此，通过铝集流体设计优化，抑制铝劈锋的形成，可以降低针刺热失控风险。

2.3电解液优化

Y.Shi等提出，通过降低电解液中的离子导电性，增大电荷转移内阻，能够降低电池热失控风险，这类物质称为“热失控延缓剂”。但是直接在电解液中加入这类物质，会严重影响锂离子电池的电性能。通过将热失控延缓剂单独封装放入锂离子电池内壳，在受到外部机械破坏如针刺时，释放到电解液中，从而起作用。研究表明，三己胺(THA)是非常有效的热失控延缓剂，通过与隔膜度浸润，并与电解液不相溶的特性，达到阻碍锂离子传输的目的。

2.4极片涂层

ATL申请的中文专利中提到，在负极活性层表面涂覆一层产气涂层，当锂离子二次电池发生针刺(包括毛刺刺穿)、挤压等不正当使用时，产气涂层产生的气体能够很好地将正极极片与负极极片隔离，从而避免锂离子二次电池内部短路，引起起火甚至爆炸。产气涂层为偶氮类化合物、亚硝基类化合物或磺酰肼类化合物，材料的分解温度为90~250℃。通过材料优化设计，提高针刺点附近的电子电阻(如隔膜和集流体优化等)或离子电阻(如电解液优化等)，可以从根本上降低针刺内短路产热，从而降低针刺热失控风险。