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文章題目：Strategies to Solve Lithium Battery Thermal Runaway: From Mechanism to Modification作者：Lingchen Kong, Yu Li, Wei Feng*單位：天津大學(xué)
【論文亮點(diǎn)】
1、鋰電池應(yīng)用廣泛，潛力巨大，在各類電池中最具有可靠性。但鋰電池運(yùn)行過(guò)程中的熱失控現(xiàn)象是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。文章所選主題和鋰電池的發(fā)展密切相關(guān)，關(guān)系到鋰電池的未來(lái)發(fā)展前景。
2、本綜述首次詳細(xì)揭示了鋰電池的熱源機(jī)理，第一次全面闡述了鋰電池?zé)崾Э氐脑蚝弯囯姵剡^(guò)熱所造成的危害。
3、首次創(chuàng)新性的從組成部件討論鋰電池的熱問(wèn)題，從正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜、集流體等方面貫穿融會(huì)的介紹了提高鋰電池?zé)岱€(wěn)定性的策略。
【圖文導(dǎo)讀】
（1）前言
隨著全球能源政策逐步由化石能源向可再生能源轉(zhuǎn)變，鋰電池作為一種重要的儲(chǔ)能設(shè)備，具有比其他電池更大的優(yōu)勢(shì)，因此受到了廣泛的關(guān)注。隨著鋰電池能量密度的不斷增加，提高其使用的安全性刻不容緩。熱失控是鋰電池研究中不可避免的安全問(wèn)題。關(guān)注鋰電池材料的熱危害并采取相應(yīng)的預(yù)防措施具有重要意義。根據(jù)電池?zé)崃康膩?lái)源，可將其分為可逆熱和不可逆熱。多余熱量的產(chǎn)生有深遠(yuǎn)的影響，包括熱失控，容量損失和電荷不平衡。隨后，本綜述重點(diǎn)討論了從各種電池固有部件(陽(yáng)極、陰極、電解液、隔板等)方面抑制熱失控的設(shè)計(jì)和改造策略。
（2）文章內(nèi)容概括
能源是人類生存和發(fā)展所必需的，是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。到目前為止，鋰電池由于其超高的能量和功率密度，優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和環(huán)保性，已經(jīng)被證明是幾乎最重要的能量存儲(chǔ)設(shè)備。鋰電池在提供能量的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。鋰電池通常具有超高的能量密度，能量密度越高，熱的穩(wěn)定性越差。在極端溫度和過(guò)充/過(guò)放電等惡劣條件下，鋰電池會(huì)失效。1912年，G. N. Lewis成功研制出第一批鋰電池，并于20世紀(jì)90年代被批準(zhǔn)生產(chǎn)和商業(yè)化。然而，最初的產(chǎn)品由于熱失控而發(fā)生了燃燒事件。失效機(jī)制被確定為在電極上形成鋰枝晶，鋰枝晶刺穿隔膜，導(dǎo)致短路。同時(shí)，溫度的升高使金屬鋰熔化，最終導(dǎo)致熱失控。
大多數(shù)典型的電池組件，如隔板、電解質(zhì)和包裝，都是易燃的，在各種不利條件下會(huì)破壞電池固有的穩(wěn)定性。由于溫度的升高，鋰電池中的各種副反應(yīng)被觸發(fā)，產(chǎn)生無(wú)法釋放的熱量，從而在電池內(nèi)部引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致熱失控。最終，可能會(huì)發(fā)生災(zāi)難性的后果，如嚴(yán)重燃燒和爆炸。
圖1 鋰電池?zé)崾Э氐母鞣N原因及造成的結(jié)果
鋰電池的四種基本成分是陰極、陽(yáng)極、電解質(zhì)和隔膜。當(dāng)鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)時(shí)，鋰電池和外部電線形成一個(gè)閉合電路，從而對(duì)外做功。為了最大限度地發(fā)揮鋰電池的便攜性和高能量密度優(yōu)勢(shì)，拓寬市場(chǎng)，全面緩解鋰電池的熱危害，研究旨在加強(qiáng)電池的固有安全性，完善電池的熱管理系統(tǒng)，防止熱失效。
1）陽(yáng)極材料：制備具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能的SEI層是任何陽(yáng)極材料改性策略的核心，能夠提高鋰電池的安全性和循環(huán)穩(wěn)定性。鋰枝晶無(wú)序生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致枝晶刺穿隔膜，發(fā)生短路。具有高親鋰性的主體材料可以引導(dǎo)金屬鋰的沉積，抑制鋰枝晶的形成。
圖2 各種在鋰陽(yáng)極和電解質(zhì)之間建立人工SEI膜的策略以提高陽(yáng)極材料的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能 (b) Copy right ? 2019 John Wiley and Sons. (c) Copyright ? 2019 Elsevier. (e) Copyright ? 2018 John Wiley and Sons. (f) Copyright ? 2018 John Wiley and Sons
2）陰極材料：在電池內(nèi)部的反應(yīng)過(guò)程中，陰極的導(dǎo)電性比陽(yáng)極低，并產(chǎn)生更多的熱量。以CFx陰極為例，可以通過(guò)提高陰極的導(dǎo)電性來(lái)降低Li/CFx電池工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量。使用添加劑或涂覆層和元素替代是提高插層型陰極熱穩(wěn)定性常用的有效方法。
圖3 各種陰極保護(hù)策略，包括添加劑和原子層沉積等方法 (b) Copyright ? 2014 John Wiley and Sons. (c) Copyright ? 2015 American Chemical Society. (d) Copyright ? 2017 American Chemical Society. (e) Copyright ? 2015 John Wiley and Sons. (g) Copyright ? 2017 John Wiley and Sons
3）電解質(zhì)材料：磷酸三苯酯、含硅、含氟添加劑能提高電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性。高活性添加劑可以抑制傳統(tǒng)LiPF6電解液分解產(chǎn)生的PF5和HF反應(yīng)物種的形成。此外，安全的全固體電解質(zhì)也具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖4 高安全性的固態(tài)電解質(zhì)材料 (b) Copyright ? 2021 John Wiley and Sons. (d) Copyright ? 2019 John Wiley and Sons. (e) Copyright ? 2019 Nature Publishing Group. (g) Copyright ? 2021 John Wiley and Sons
4）隔膜材料：鋰電池常用的隔膜是熱穩(wěn)定性差的聚烯烴膜(PP或PE)。采用熱穩(wěn)定性較好的PI和PPS材料作為分離器，可大大提高隔膜材料的熱穩(wěn)定性。使用熱響應(yīng)材料可以實(shí)現(xiàn)在電池過(guò)熱時(shí)及時(shí)切斷化學(xué)反應(yīng)，防止熱失控。
【核心結(jié)論】
本文綜述了鋰電池的工作機(jī)理，闡述了鋰電池在充放電過(guò)程中的不同熱源和各種熱危害。一旦電池遇到極端的情況(物理?yè)p壞、過(guò)充、過(guò)放電、過(guò)熱和短路)，她將不可避免地失效并產(chǎn)生大量的熱量。多余的熱量產(chǎn)生有深遠(yuǎn)的影響，包括熱失控，容量損失，電荷不平衡。電極材料的選擇和電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化都可以提高鋰電池的安全性能，抑制熱失控。制備具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能的固體電解質(zhì)界面層(SEI)是陽(yáng)極材料改性策略的核心。添加劑、穩(wěn)定涂層、元素取代和熱響應(yīng)涂層材料是提高陰極安全性的常用方法。新型電解質(zhì)添加劑、固態(tài)電解質(zhì)和熱穩(wěn)定隔板為解決下一代高性能電化學(xué)存儲(chǔ)器件的熱失控問(wèn)題提供了良好的機(jī)會(huì)。
引用信息：Kong, L., Li, Y. & Feng, W. Strategies to Solve Lithium Battery Thermal Runaway: From Mechanism to Modification. Electrochem. Energy Rev. (2021).
https://doi.org/10.1007/s41918-021-00109-3
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