| 隨著(zhù)鋰離子電池在全球市場(chǎng)的普及，每年有數十億只鋰離子電池被生產(chǎn)出來(lái)，并進(jìn)入到消費者手中。鋰離子電池在為我們生活帶來(lái)巨大的便利的同時(shí)，也隱藏著(zhù)眾多的安全隱患等問(wèn)題。近年來(lái)，隨著(zhù)智能化浪潮的發(fā)展，越來(lái)越多的設備都朝著(zhù)的智能化方向的發(fā)展，例如電視、音箱、汽車(chē)等等，它們能夠根據環(huán)境、用戶(hù)使用習慣等方面，不斷的提高自己，實(shí)現自我進(jìn)化，改善用戶(hù)的使用體驗。
對于鋰離子電池而言，在使用過(guò)程中可能會(huì )面臨不同的使用環(huán)境的考驗，有些使用場(chǎng)景可能會(huì )對鋰離子電池形成較大的挑戰。我們希望鋰離子電池能夠更加智能一些，能夠根據使用環(huán)境及時(shí)對鋰離子電池使用策略進(jìn)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使用壽命。
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，目前鋰離子電池組的BMS系統基本上都能夠實(shí)現溫度保護、電流保護等功能，但是這都是在系統層級上的保護，而對于鋰離子電池的智能化設計可以實(shí)現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(guò)在鋰離子電池內增加一些智能結構和材料，從而實(shí)現鋰離子電池智能化設計。
1.1防內短路設計
內短路是影響鋰離子電池安全性的嚴重問(wèn)題，由于鋰枝晶、多余物等導致的鋰離子電池內短路，往往會(huì )引起嚴重的安全問(wèn)題。
為了解決鋰枝晶生長(cháng)導致的內短路事故，人們設計了多種方法監控鋰離子電池內部鋰枝晶的生長(cháng)。例如Wu等人設計的多功能隔膜，這種隔膜在傳統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(guò)監測這層金屬與負極之間的電壓差，就可以實(shí)現對鋰枝晶的監控，使得該隔膜即保留了傳統隔膜的功能，也實(shí)現對鋰枝晶的監控。斯坦福大學(xué)的Kai Liu三層復合多功能隔膜，改隔膜的特點(diǎn)是隔膜的中間層加入了SiO2，當鋰枝晶生長(cháng)到一定程度時(shí)，穿刺隔膜時(shí)，SiO2會(huì )與金屬鋰發(fā)生反應，消耗鋰枝晶，從而避免鋰枝晶的進(jìn)一步生長(cháng)【1】。
1.2智能防止鋰離子電池過(guò)熱
鋰離子電池如果發(fā)生過(guò)熱（如外部加熱、短路過(guò)程自放熱等）會(huì )引起隔膜收縮，引起正負極短路，進(jìn)而導致熱失控發(fā)生。傳統的PP-PE-PP復合隔膜在較低的溫度下，能夠實(shí)現自動(dòng)閉孔功能，從而切斷正負極的反應，達到抑制電池過(guò)熱的效果，但是如果溫度過(guò)高，PP層也發(fā)生收縮時(shí)，這種三層復合隔膜也就失效了。
為了解決鋰離子電池在過(guò)熱情況下的安全性問(wèn)題，Yim等人設計一款能夠保護鋰離子電池過(guò)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(huì )對鋰離子電池的性能造成嚴重影響，因此難以在實(shí)際中的應用。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定，因此正常狀況下不會(huì )對鋰離子電池性能產(chǎn)生影響。當溫度超過(guò)70攝氏度時(shí)，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(jìn)一步發(fā)生反應。
上述的方法對鋰離子電池的保護是一次性的，即一旦保護機制啟動(dòng)，則意味著(zhù)整個(gè)電池失效。為了解決上述問(wèn)題，Yang等人設計了一種能夠多次啟動(dòng)的保護措施，該方法的特點(diǎn)是采用能夠在溫度的影響下，進(jìn)行可逆的溶膠-凝膠轉變的智能電解液。該款電解液主要由PNIPAM/AM構成，當溫度超過(guò)轉變溫度時(shí)，PNIPAM會(huì )由親水性轉變?yōu)樵魉�，從而極大的抑制離子在其中的擴散。重要的是，在溫度降低時(shí)該反應完全可逆，因此可以實(shí)現對電池的多次保護，該技術(shù)可以應用水系超級電容器上，保護電容器的安全。
2.智能自我修復
隨著(zhù)鋰離子電池的普及，鋰離子電池面臨的各種傷害的機會(huì )也在不斷增加，如果鋰離子電池能夠實(shí)現像生物體那樣的自我修復功能，這對于延長(cháng)鋰離子電池的使用壽命，降低鋰離子電池的安全風(fēng)險就有非常重要的意義。
2.1外界損傷的自我修復
具有自我修復功能的電池其實(shí)不是什么全新的概念，例如Li-I電池，其隔膜實(shí)際上就是Li與I的反應產(chǎn)物L(fēng)iI，因此在隔膜損壞后，Li與I發(fā)生接觸，反應產(chǎn)物L(fēng)iI就實(shí)現了對隔膜的修補。
現代意義的自我修復功能鋰離子電池，更多的是基于多功能材料實(shí)現的，例如Wang等人設計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(wǎng)構成，材料內眾多的氫鍵使得材料在面對機械損傷時(shí)具有自我修復的特性。在50攝氏度下，材料被切斷后，能夠在5min之內自我愈合。
上述的自愈合設計主要是針對水系超級電容器，自愈合鋰離子電池的設計還面臨不小的挑戰，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(huì )嚴重的影響鋰離子電池的性能，因此自愈合鋰離子電池設計還需要依賴(lài)電解液的持續改進(jìn)。
2.2形狀記憶能力
隨著(zhù)可穿戴設備的普及，傳統的硬殼結構的鋰離子電池已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際應用的需求，因此能夠在受到外力（如熱、電磁力、壓力等）發(fā)生形變后，能夠恢復初始設計形狀，就成為了特種鋰離子電池的需求。Yan等人利用形狀記憶合金TiNi設計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(dòng)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(lǐng)域有著(zhù)很好的應用前景，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(jìn)入太空后，恢復溫度，則電池自動(dòng)回復其初始形狀，并且在整個(gè)過(guò)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(gè)不可逆的趨勢，鋰離子電池的智能化發(fā)展將是一個(gè)非常重要的方向，隨著(zhù)材料和設計技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信我們在未來(lái)將能夠見(jiàn)證更加智能、更加人性化的蓄電池的誕生。 |
