| 隨著鋰離子電池在全球市場的普及，每年有數(shù)十億只鋰離子電池被生產(chǎn)出來，并進(jìn)入到消費(fèi)者手中。鋰離子電池在為我們生活帶來巨大的便利的同時，也隱藏著眾多的安全隱患等問題。近年來，隨著智能化浪潮的發(fā)展，越來越多的設(shè)備都朝著的智能化方向的發(fā)展，例如電視、音箱、汽車等等，它們能夠根據(jù)環(huán)境、用戶使用習(xí)慣等方面，不斷的提高自己，實(shí)現(xiàn)自我進(jìn)化，改善用戶的使用體驗。
對于鋰離子電池而言，在使用過程中可能會面臨不同的使用環(huán)境的考驗，有些使用場景可能會對鋰離子電池形成較大的挑戰(zhàn)。我們希望鋰離子電池能夠更加智能一些，能夠根據(jù)使用環(huán)境及時對鋰離子電池使用策略進(jìn)行調(diào)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(hù)
鋰離子電池的自我保護(hù)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(tǒng)基本上都能夠?qū)崿F(xiàn)溫度保護(hù)、電流保護(hù)等功能，但是這都是在系統(tǒng)層級上的保護(hù)，而對于鋰離子電池的智能化設(shè)計可以實(shí)現(xiàn)鋰離子電池層面的自我保護(hù)，例如在電池內(nèi)增加額外的感應(yīng)電極、增加溫度反饋智能材料，通過在鋰離子電池內(nèi)增加一些智能結(jié)構(gòu)和材料，從而實(shí)現(xiàn)鋰離子電池智能化設(shè)計。
1.1防內(nèi)短路設(shè)計
內(nèi)短路是影響鋰離子電池安全性的嚴(yán)重問題，由于鋰枝晶、多余物等導(dǎo)致的鋰離子電池內(nèi)短路，往往會引起嚴(yán)重的安全問題。
為了解決鋰枝晶生長導(dǎo)致的內(nèi)短路事故，人們設(shè)計了多種方法監(jiān)控鋰離子電池內(nèi)部鋰枝晶的生長。例如Wu等人設(shè)計的多功能隔膜，這種隔膜在傳統(tǒng)的聚合物隔膜中間還加入了一層金屬，這層金屬充當(dāng)了鋰枝晶探測器的功能，通過監(jiān)測這層金屬與負(fù)極之間的電壓差，就可以實(shí)現(xiàn)對鋰枝晶的監(jiān)控，使得該隔膜即保留了傳統(tǒng)隔膜的功能，也實(shí)現(xiàn)對鋰枝晶的監(jiān)控。斯坦福大學(xué)的Kai Liu三層復(fù)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(dāng)鋰枝晶生長到一定程度時，穿刺隔膜時，SiO2會與金屬鋰發(fā)生反應(yīng)，消耗鋰枝晶，從而避免鋰枝晶的進(jìn)一步生長【1】。
1.2智能防止鋰離子電池過熱
鋰離子電池如果發(fā)生過熱（如外部加熱、短路過程自放熱等）會引起隔膜收縮，引起正負(fù)極短路，進(jìn)而導(dǎo)致熱失控發(fā)生。傳統(tǒng)的PP-PE-PP復(fù)合隔膜在較低的溫度下，能夠?qū)崿F(xiàn)自動閉孔功能，從而切斷正負(fù)極的反應(yīng)，達(dá)到抑制電池過熱的效果，但是如果溫度過高，PP層也發(fā)生收縮時，這種三層復(fù)合隔膜也就失效了。
為了解決鋰離子電池在過熱情況下的安全性問題，Yim等人設(shè)計一款能夠保護(hù)鋰離子電池過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對鋰離子電池的性能造成嚴(yán)重影響，因此難以在實(shí)際中的應(yīng)用。而Yim等降阻燃劑裝入了獨(dú)立的小膠囊之中，這些膠囊的外壁材料在電解液中非常穩(wěn)定，因此正常狀況下不會對鋰離子電池性能產(chǎn)生影響。當(dāng)溫度超過70攝氏度時，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(dǎo)致電解液的電導(dǎo)率急劇下降，阻止電池內(nèi)進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)。
上述的方法對鋰離子電池的保護(hù)是一次性的，即一旦保護(hù)機(jī)制啟動，則意味著整個電池失效。為了解決上述問題，Yang等人設(shè)計了一種能夠多次啟動的保護(hù)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(zhuǎn)變的智能電解液。該款電解液主要由PNIPAM/AM構(gòu)成，當(dāng)溫度超過轉(zhuǎn)變溫度時，PNIPAM會由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)樵魉裕瑥亩鴺O大的抑制離子在其中的擴(kuò)散。重要的是，在溫度降低時該反應(yīng)完全可逆，因此可以實(shí)現(xiàn)對電池的多次保護(hù)，該技術(shù)可以應(yīng)用水系超級電容器上，保護(hù)電容器的安全。
2.智能自我修復(fù)
隨著鋰離子電池的普及，鋰離子電池面臨的各種傷害的機(jī)會也在不斷增加，如果鋰離子電池能夠?qū)崿F(xiàn)像生物體那樣的自我修復(fù)功能，這對于延長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(fù)
具有自我修復(fù)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(yīng)產(chǎn)物L(fēng)iI，因此在隔膜損壞后，Li與I發(fā)生接觸，反應(yīng)產(chǎn)物L(fēng)iI就實(shí)現(xiàn)了對隔膜的修補(bǔ)。
現(xiàn)代意義的自我修復(fù)功能鋰離子電池，更多的是基于多功能材料實(shí)現(xiàn)的，例如Wang等人設(shè)計的自修復(fù)功能的超級電容器，其主要是由超分子材料形成的網(wǎng)構(gòu)成，材料內(nèi)眾多的氫鍵使得材料在面對機(jī)械損傷時具有自我修復(fù)的特性。在50攝氏度下，材料被切斷后，能夠在5min之內(nèi)自我愈合。
上述的自愈合設(shè)計主要是針對水系超級電容器，自愈合鋰離子電池的設(shè)計還面臨不小的挑戰(zhàn)，這很大程度是因為鋰離子電池的有機(jī)電解液暴漏在空氣之中，會嚴(yán)重的影響鋰離子電池的性能，因此自愈合鋰離子電池設(shè)計還需要依賴電解液的持續(xù)改進(jìn)。
2.2形狀記憶能力
隨著可穿戴設(shè)備的普及，傳統(tǒng)的硬殼結(jié)構(gòu)的鋰離子電池已經(jīng)無法滿足實(shí)際應(yīng)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(fù)初始設(shè)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(shè)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(fù)到初始的形狀，自動纏繞在手腕上。
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)域有著很好的應(yīng)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(fù)溫度，則電池自動回復(fù)其初始形狀，并且在整個過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。
智能化浪潮是一個不可逆的趨勢，鋰離子電池的智能化發(fā)展將是一個非常重要的方向，隨著材料和設(shè)計技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信我們在未來將能夠見證更加智能、更加人性化的蓄電池的誕生。 |
