【原创】α-氧化铝可以让锂离子电池更安全？

中国粉体网讯  锂离子电池的安全问题是制约其发展的一大影响因素，2018年已发生新能源汽车起火事件40余起。由于锂离子电池内部短路或充放电电流过大引起电池内部温度迅速升高是造成锂离子电池爆炸燃烧的直接原因之一。电池管理系统（BMS）可以解决锂离子电池的过充过放和充放电电流过大的问题，使锂离子电池在合理的电压区间内充放电，有效保证锂离子电池的安全。相比之下内部短路问题的出现则更为普遍并且危险更大。

内部短路反应过程示意图

而造成锂离子电池内部短路的原因很多，例如：电池制造过程中，极片周围的金属毛刺或混入的金属颗粒，在特定情况下会刺穿隔膜导致内部短路；外力作用导致电池内部结构变形进而产生内部短路。锂离子电池内部短路通常是局部短路，短时间内热量大量聚集不能得到有效疏散，造成局部过热，进而恶化成更严重的安全问题。为了解决锂离子电池内部短路问题，研究人员做了大量工作，其中一种方式是添加安全剂。

向正极添加α-氧化铝，负极添加Li₄Ti₅O₁₂

α-氧化铝具有良好的化学稳定性、耐高温性、电绝缘性，同时还是热的良导体。Li₄Ti₅O₁₂结构稳定，电极电势（1.5V，相对于 Li/Li⁺）高于金属锂，不易产生锂枝晶。在锂离子电池的正极添加α-氧化铝，负极添加Li₄Ti₅O₁₂，①可以提高极片的电阻，从而减小电池内部短路瞬间的短路电流，达到减少发热量的目的；②正负极安全添加剂也是热的良导体，可以及时把内部短路产生的热量传出去，达到降低电池升温速率的目的。

正负极安全添加剂作用模型示意图

安全性能测试结果表明，添加电极安全剂后电池可以轻松通过苛刻的穿刺测试和重物冲击测试，在安全添加剂的高内阻作用和良好的热传导性能协同作用下，测试电池的内短路产热能够转变为可控的电池低倍率放电，大幅提高锂离子电池的安全性能。

电解液添加剂

除了向电极中加入添加剂外还可以向电解液中加入一些添加剂，改善电解液性能，加强电池的安全性。

1阻燃添加剂

锂离子电池电解液阻燃添加剂的作用机制是自由基捕获机制，如三甲基磷酸酯(TMP)，在受热时气化分解，释放出具有捕获电解液体系中氢自由基(H・)的阻燃自由基(如P・自由基)，阻止碳氢化合物燃烧或爆炸的链式反应发生。

阻燃添加剂包括：①有机磷化物阻燃剂：烷基磷酸酯如磷酸三甲酯(TMP)、磷酸三乙酯(TEP)、磷酸三丁酯(TBP)、磷酸三苯酯(TPP)、二甲基甲基膦酸酯(DMMP) ；②有机卤化物阻燃剂：一氟代甲基碳酸乙烯酯(CH₂F-EC)、二氟代甲基碳酸乙烯酯(CHF₂-EC)和三氟代甲基碳酸乙烯酯(CF₃-EC)；③复合阻燃剂：磷-氮类化合物(P-N)和卤化磷酸酯(P-X)。

2过充保护添加剂

过充电保护剂必须满足两个点：①它们的氧化电位应该在阴极充电截止电势和电解液氧化分解电势之间；②过充保护添加剂不能对电池的循环效率造成负面影响。

过充保护添加剂包括：①氧化还原对添加剂：I₂/I₃^-，TEMPO/TEMPO⁺；②电聚合添加剂：联苯；③热敏感添加剂：PTC添加剂。

近年来，随着锂离子电池的研究与开发工作的深入进行，人们对电池中安全添加剂投入极大的关注，希望借此能够进一步改善锂离子电池的安全问题。现有的安全添加剂能部分解决一些问题，但还需继续优化完善。

参考文献：

陈仕玉.锂离子电池安全性添加剂

杨和山.锂离子电池电极安全添加剂