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PTC安全电极在锂电池中的应用技术

目录:电池技术发布时间:2020-06-18 17:22:44点击率:

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锂电池广泛应用于各种动力类产品,电池安全问题一直是人们所关注的重点对象。电池安全问题的起因主要是由于热失控造成的,根据目前研究造成电池热失控的原因主要有:

1,电解液热分解;2,电解液被嵌锂物质还原;3,电解液被正极物质氧化;4,正负极材料的分解;5,隔膜破损造成的短路。当然还有其它的原因,这篇文章不重点赘述了。今天主要介绍的是PTC材料在防止锂离子电池热失控上的应用。PTC(Positive Temperature Coefficient ),意思是正的温度系数, 泛指正温度系数很大的半导体材料或元器件。PTC材料具有电阻率随温度上升而上升的特性,当大电流通过PTC器件时,PTC产生的焦耳热导致温度升高,进而元件电阻迅速增大,进而限制电流通过等等。

PTC材料应用于锂离子电池的方式主要有三种,三种方式均能在一定程度上起到改善锂离子电池安全性的功效:


(1)将PTC材料做成电极涂层武汉大学的X.M.Feng等人利用环氧树脂、炭黑以及固化剂聚酰胺等做成PTC材料,将PTC材料涂覆在铝箔表面形成PTC涂层,之后在PTC涂层表面涂覆活性物质:

A/B/C分别为钴酸锂活物质、PTC涂层、铝箔。此种结构的好处在于,PTC材料可以提高锂离子电池的安全性,同时可以防止锂离子嵌入PTC材料中破坏导电剂的结构,从而改善电池的倍率性能和循环寿命。(2)将PTC材料混入电极材料中日本Makiko Kise等人将PTC材料引入电池内部,使PTC材料与电极材料混合到一起,做成混合电极。其中PTC材料是由高密度聚乙稀(HDPE)和炭黑混合而成。其保护作用机理是:正常的条件下,材料中的作为导电剂参与电子传输;在滥用条件下,电池温度升高,超过PTC材料材料中的HDPE熔点时,聚合物迅速扩散,抑制导电剂导电通道的传输。

此种方式的不足之处是PTC材料本身阻抗较大,导电性差,对电池容量和倍率等性能不利。为改善此种问题,可以在PTC材料中加入其它导电剂来进行改善。
(3)将电极材料表面包覆PTC材料除了以上两种方式之外,武汉大学Lan Xia等人在活性物质钴酸锂表面包覆一层PTC材料,使用的PTC材料为聚-3癸基噻吩,使用此种包覆后的活物质做成的电极不仅能够敏感感应由过充等外部滥用以及内部短路等造成的电池温度升高,又能抑制高活性电极材料带来的热反应。保护机理在于常温下锂离子和电子都能进行正常的传输,高温时包覆层变绝缘层,离子和电子传输受阻,起到高温阻断作用。这种包覆电极在起到安全作用的同时,能有效保护电极材料被电解液腐独,提高电极材料的化学稳定性和热稳定性。

目前常常使用的PTC材料主要分为有机材料和陶瓷材料类PTC材料,不同类型的PTC材料导电机理不同。但是其随温度而电阻率升高的特性在很大程度上改善了锂离子电池的安全性,PTC材料的应用技术和工艺需要进一步的突破。


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