3种锂电材料改性方法，应对储能电站热失控

2023-06-02 18:50

现有的商业化锂离子电池多采用有机电解液，易燃易爆，尤其是应用于规模化储能电站时，数万甚至数十万个储能电芯串并联，极易导致连锁反应，引起火灾、爆炸事故。

储能锂离子电池热失控主要原因有两个：一个是外部原因，储能电站空间密闭，内部存储大量能量，充放电时电化学反应会释放热能，本身具有潜在热失控危险；另一个是内部原因，锂离子电池电解液电化学反应引发的副反应容易引发热失控。

为应对储能电站热失控风险，业内提出从锂离子电池材料改性、锂离子电站主动安全防护和被动安全防护三个方面提出了解决方法。

锂离子电池材料改性主要从电池过充保护剂、锂离子电池阴极材料和锂离子电池阳极材料三个方面着手。

电池过充保护剂

过充是储能锂离子电池不可避免的滥用之一，通过在电池电解液内添加过充保护剂可以有效避免这一现象的发生。

过充保护剂利用较多的主要有两类，分别是氧化还原穿梭添加剂和关断过充添加剂。

氧化还原穿梭添加剂在比充电结束电压略高的特定电压下，可以在电极间可逆地被氧化/还原，并提供过充电保护；在较低或正常的电压下，其分子不活跃，不会干扰电池内部化学反应。

目前，典型的氧化还原穿梭添加剂有有吩噻嗪、三苯胺、有机茂金属、二甲氧基苯和它们的衍生物等。

关断过充添加剂属于不可逆的添加剂，一旦在较高电压下被触发，就会永久性地停止电池的运行。它的主要缺点是会对锂离子电池产生不可逆的氧化作用，从而缩短电池寿命。

目前，典型的关断过充添加剂有二甲苯、环己基苯、联苯、3-噻吩乙腈、2,2-二苯基丙烷等。

锂电阴极材料改性

锂离子电池阴极材料热性能改善主要有两种技术：元素替代和保护性涂层。

元素替代技术可以稳定晶体结构有效改善层状氧化物材料的热性能，如用Al替代过渡金属Co、Ni和Mn。在钴酸锂中掺杂合金元素镍和锰等，可以显著提高阴极的起始分解温度，避免电池阴极在高温下发生有害反应。

保护性图层，主要指在锂离子电池应急材料上涂一层薄薄的锂离子导电化合物作为保护层，使阴极表面不与电解质直接接触，进而避免发生副反应、相变等，从而提高结构稳定性，并减少晶体位点中阳离子的混乱。

此外，阴极涂层材料一般为热惰性材料，给阴极添加保护层的同时，还有助于减少其发热。

锂电阳极材料改性

锂离子电池阳极材料改进热点方向是开发人工SEI膜，减轻SEI膜与电解质的电化学反应性能，以改善其热性能。主流技术有三种，分别是轻度氧化、金属沉积和聚合涂层。

有研究人员发现，相较无涂层的石墨阳极，氟化铝涂层的石墨阳极初始放电容量更高、循环寿命更长、容量保持率和速率性能更高。

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