鉅大LARGE | 點擊量：1397次 | 2018年05月19日
鋰離子電池如何更加智能化發(fā)展？
隨著鋰離子電池在全球市場的普及，每年有數(shù)十億只鋰離子電池被生產出來，并進入到消費者手中。鋰離子電池在為我們生活帶來巨大的方便的同時，也隱藏著眾多的安全隱憂等問題。近年來，隨著智能化浪潮的發(fā)展，越來越多的設備都朝著的智能化方向的發(fā)展，例如電視、音箱、汽車等等，它們能夠根據(jù)環(huán)境、用戶運用習慣等方面，不斷的提升自己，實現(xiàn)自我進化，改善用戶的運用體驗。
對于鋰離子電池而言，在運用過程中可能會面臨不一樣的運用環(huán)境的考驗，有些運用場景可能會對鋰離子電池形成較大的挑戰(zhàn)。我們希望鋰離子電池能夠更加智能一些，能夠根據(jù)運用環(huán)境及時對鋰離子電池運用策略進行調整，一方面保證鋰離子電池的安全性，一方面也能保證鋰離子電池性能和運用壽命。
1.智能自我保護
鋰離子電池的自我保護是鋰離子電池的最基本的功能，現(xiàn)在鋰離子電池組的BMS系統(tǒng)基本上都能夠實現(xiàn)溫度保護、電流保護等功能，但是這都是在系統(tǒng)層級上的保護，而對于鋰離子電池的智能化規(guī)劃可以實現(xiàn)鋰離子電池層面的自我保護，例如在電池內增加額外的感應電極、增加溫度反饋智能材料，通過在鋰離子電池內增加一些智能結構和材料，從而實現(xiàn)鋰離子電池智能化規(guī)劃。
1.1防內短路規(guī)劃
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
內短路是影響鋰離子電池安全性的嚴重問題，由于鋰枝晶、多余物等導致的鋰離子電池內短路，往往會引起嚴重的安全問題。
為了搞定鋰枝晶生長導致的內短路事故，人們規(guī)劃了多種方式監(jiān)控鋰離子電池內部鋰枝晶的生長。例如Wu等人規(guī)劃的多功能隔膜，這種隔膜在傳統(tǒng)的聚合物隔膜中間還加入了一層金屬，這層金屬充當了鋰枝晶探測器的功能，通過監(jiān)測這層金屬與負極之間的電壓差，就可以實現(xiàn)對鋰枝晶的監(jiān)控，使得該隔膜即保留了傳統(tǒng)隔膜的功能，也實現(xiàn)對鋰枝晶的監(jiān)控。斯坦福大學的KaiLiu三層復合多功能隔膜，改隔膜的特點是隔膜的中間層加入了SIO2，當鋰枝晶生長到一定程度時，穿刺隔膜時，SIO2會與金屬鋰發(fā)生反應，消耗鋰枝晶，從而避免鋰枝晶的進一步生長。
1.2智能防止鋰離子電池過熱
鋰離子電池如果發(fā)生過熱(如外部加熱、短路過程自放熱等)會引起隔膜收縮，引起正負極短路，進而導致熱失控發(fā)生。傳統(tǒng)的PP-PE-PP復合隔膜在較低的溫度下，能夠實現(xiàn)自動閉孔功能，從而切斷正負極的反應，達到抑制電池過熱的效果，但是如果溫度過高，PP層也發(fā)生收縮時，這種三層復合隔膜也就失效了。
為了搞定鋰離子電池在過熱情況下的安全性問題，Yim等人規(guī)劃一款能夠保護鋰離子電池過熱情況下安全的電解液添加材料。我們都知道一般的電解液阻燃劑都會對鋰離子電池的性能造成嚴重影響，因此難以在實際中的使用。而Yim等降阻燃劑裝入了獨立的小膠囊之中，這些膠囊的外壁材料在電解液中非常穩(wěn)定，因此正常狀況下不會對鋰離子電池性能產生影響。當溫度超過70攝氏度時，在阻燃劑DMTP的蒸汽壓的作用下，引起外殼的破裂，將阻燃劑釋放到電解液之中，導致電解液的電導率急劇下降，阻止電池內進一步發(fā)生反應。
2.智能自動修復
隨著鋰離子電池的普及，鋰離子電池面臨的各種傷害的機會也在不斷增加，如果鋰離子電池能夠實現(xiàn)像生物體那樣的自動修復功能，這對于延長鋰離子電池的運用壽命，降低鋰離子電池的安全風險就有非常重要的意義。
2.1外界損傷的自動修復
具有自動修復功能的電池其實不是什么全新的概念，例如Li-I電池，其隔膜實際上就是Li與I的反應產物LiI，因此在隔膜破壞后，Li與I發(fā)生接觸，反應產物LiI就實現(xiàn)了對隔膜的修補。
現(xiàn)代意義的自動修復功能鋰離子電池，更多的是基于多功能材料實現(xiàn)的，例如Wang等人規(guī)劃的自修復功能的超級電容器，其主要是由超分子材料形成的網構成，材料內眾多的氫鍵使得材料在面對機械損傷時具有自動修復的特點。在50攝氏度下，材料被切斷后，能夠在5min之內自我愈合。
上述的自愈合規(guī)劃主要是針對水系超級電容器，自愈合鋰離子電池的規(guī)劃還面臨不小的挑戰(zhàn)，這很大程度是因為鋰離子電池的有機電解液暴漏在空氣之中，會嚴重的影響鋰離子電池的性能，因此自愈合鋰離子電池規(guī)劃還需要依賴電解液的連續(xù)改進。
2.2形狀記憶能力
隨著可穿戴設備的普及，傳統(tǒng)的硬殼結構的鋰離子電池已經無法滿足實際使用的需要，因此能夠在受到外力(如熱、電磁力、壓力等)發(fā)生形變后，能夠恢復初始規(guī)劃形狀，就成為了特種鋰離子電池的需要。Yan等人利用形狀記憶合金TiNi規(guī)劃的具有形狀記憶能力的超級電容器，TiNi合金的相變溫度為15攝氏度，而人體皮膚表面的溫度大約在35攝氏度左右，因此該電容器能夠在人體體溫的作用下恢復到初始的形狀，自動纏繞在手腕上。
如果把上述的形狀記憶合金TiNi做成纖維狀，還能夠制成多種形狀的具有形狀記憶功能的電池。這一功能在航天領域有著很好的使用未來，在發(fā)射之前，首先在較低的溫度下，將電池折疊盡量縮小體積，進入太空后，恢復溫度，則電池自動回復其初始形狀，并且在整個過程中電池的電性能不受任何影響，這將極大的提升航天發(fā)射的效率。
智能化浪潮是一個不可逆的趨勢，鋰離子電池的智能化發(fā)展將是一個非常重要的方向，隨著材料和規(guī)劃技術的不斷進步，相信我們在未來將能夠見證更加智能、更加人性化的蓄電池的誕生。
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