動(dòng)力電池的安全性是決定其最終能否大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。近日，上海交通大學(xué)教授、電化學(xué)與能源技術(shù)研究所副所長(zhǎng)楊軍表示，現(xiàn)有鋰離子電池的主要安全隱患，是電解液易燃易爆和高能電池體系熱力學(xué)不穩(wěn)定。選擇電池材料和體系需要在電池能量密度和安全性之間尋求平衡，應(yīng)從材料入手改善鋰電池安全性。

現(xiàn)有電池存安全隱患

楊軍表示，高能量密度鋰離子電池需要高輸出電壓和電極儲(chǔ)鋰容量。目前電解液主要為有機(jī)溶劑，難以承受4.5伏以上的高電壓，容易分解產(chǎn)生氣體，造成電池氣脹、破裂或爆炸。同時(shí)，充電狀態(tài)下的正負(fù)極材料本身也很活潑，如鈷酸鋰之類的正極材料在過(guò)充電或受熱狀態(tài)下容易發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌，并產(chǎn)生顯著的熱效應(yīng)，而含有機(jī)溶劑的鋰化石墨負(fù)極在接觸空氣時(shí)也容易燃燒。目前使用的鋰離子電池主要以石墨基材料作為負(fù)極，其嵌鋰電位接近金屬鋰的析出電位，在快速充電時(shí)容易造成金屬鋰析出，常以鋰枝晶或鋰粉末狀態(tài)存在，前者會(huì)使電池內(nèi)短路，后者會(huì)加速電解液分解或與空氣接觸發(fā)生燃燒。因此，選擇合適的電極材料和電解質(zhì)體系能夠在熱力學(xué)層面從源頭為電池安全性提供保障。

優(yōu)化電解質(zhì)體系

極性有機(jī)溶劑電解液難以保障動(dòng)力鋰離子電池的安全性，而現(xiàn)有的離子液體要么電化學(xué)窗口不夠?qū)挘聪鄬?duì)分子質(zhì)量和黏度太大，尚不能完全替代有機(jī)溶劑。因此，發(fā)展低溶劑或無(wú)溶劑的聚合物電解質(zhì)、無(wú)機(jī)有機(jī)復(fù)合電解質(zhì)或無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)是提高電池安全性的根本舉措。

楊軍課帶領(lǐng)的題組以80%高空隙的親水型聚四氟乙烯薄膜為基底原位交聯(lián)聚合成功制備了支鏈帶大量環(huán)氧乙烷基團(tuán)的共聚復(fù)合多孔膜。這種隔膜有優(yōu)良的力學(xué)和耐熱性能，且由于電解液與聚合物作用成為凝膠而不會(huì)泄漏，故遇明火也不易燃燒。此外，該凝膠聚合物薄膜的高吸液率也使其具有高的離子電導(dǎo)率。采用該電解質(zhì)薄膜的Li/LiFePO4和Li/S電池性能接近或優(yōu)于傳統(tǒng)電池。

楊軍指出，雖然低溶劑或無(wú)溶劑的聚合物電解質(zhì)薄膜能夠在很大程度上改善電池的安全性能，代表了未來(lái)的發(fā)展方向，但已經(jīng)開發(fā)的這類薄膜大多在機(jī)械強(qiáng)度和鋰離子電導(dǎo)率上不能同時(shí)滿足應(yīng)用要求，尚需要從材料和技術(shù)上取得突破。

提高負(fù)極嵌鋰電位

楊軍指出，提高負(fù)極的嵌鋰電位也能有效改善電池的安全性和循環(huán)使用壽命。他表示，與石墨基負(fù)極材料相比，能提高電極電位的材料有硬碳、硅、錫、鈦酸鋰等。在合金負(fù)極材料的研究方面中科院物理所和上海交通大學(xué)起步較早，也較深入，但仍然處于基礎(chǔ)研發(fā)階段，國(guó)外也沒有真正意義上的產(chǎn)業(yè)化。近年來(lái)對(duì)硅基復(fù)合負(fù)極材料的研究已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中使電極的循環(huán)性能得到大幅提高，但平均循環(huán)效率大多難以超過(guò)99.5%，并且一些特殊納米結(jié)構(gòu)材料難以低成本大規(guī)模生產(chǎn)，阻礙了其產(chǎn)業(yè)化。

楊軍告訴記者，硅基負(fù)極的嵌鋰電位比石墨提高約0.15伏。硅的另一大優(yōu)勢(shì)是其儲(chǔ)鋰容量可達(dá)石墨的近10倍，但其相應(yīng)的體積膨脹率也大于300%，致使電子易導(dǎo)電性喪失，容量快速衰減。楊軍教授的課題組通過(guò)多孔二氧化硅的鎂熱還原和酸洗工藝制備了3D介孔結(jié)構(gòu)硅材料，結(jié)合納米層碳包覆，較好地解決了此問(wèn)題。該硅基電極在1C倍率下比容大于1500mAh/g，100次循環(huán)后無(wú)容量衰減現(xiàn)象。

零體積效應(yīng)和高充放電電位的鈦酸鋰作為負(fù)極材料能有極好的電化學(xué)可逆性，但在高溫下充放電容易產(chǎn)生氣體，縮短電池壽命，楊軍課題組對(duì)影響這類電池脹氣的因素，如電解液組成和雜質(zhì)水含量、電極組成及荷電程度等進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，優(yōu)化了電池性能。