清华大学化工系刘凯：怎么处理资料安全性和电化学功能之间的对立

2021 年 10 月 28 - 29 日，国际科技青年论坛暨《麻省理工科技谈论》“35 岁以下科技立异 35 人”（TR35）全球-亚太区线下发布典礼在杭州未来科技城成功举行。本次活动由杭州未来科技城（海创园）管委会辅导、DeepTech 主办。

动力资料范畴的技能飞速开展带动了其相关范畴的改造，相同可以为可继续开展的经济进行助力。坚持储能技能多元化，推动锂离子电池等相对老练的新式储能技能本钱继续下降和商业化规划运用，而且以需求为导向，探究展开氢储能及其他立异储能技能的研讨、演示运用成为当下趋势。

清华大学化工系助理教授、特别研讨员刘凯针对团队在锂电池方面的研讨工作及科研开展，以长途会议的办法共享了自己的观点。

图｜清华大学化工系助理教授、特别研讨员刘凯

电池是重要储能设备，在咱们的日常日子中有着越来越广泛的运用，跟着我国 “碳达峰”、“碳中和” 的稳步推动，电池商业化用处进一步得到更多的推行和运用，包含人们所运用的 3C 设备、电动车、储能电站。

可是，试验室资料的开展极大促进了锂离子能量密度的进步，可是电池能量密度的进步也对社会带来了必定的困扰。它就像双刃剑相同，一方面方便了人们的日子，另一方面贮存的能量以不可控的办法开释出来，将严重影响着人们的安全。

想办法处理资料安全性和电化学功用之间的对立

在曩昔的几年里，面对锂离子电池 “热失控” 的状况，人们期望研制一种资料来处理能量密度和电化学功用之间的对立。

从实质机理上来看，产生热失控是各种内部和外部要素形成电池内部大电流和短路，大电流导致温度升高，关于电池来说是丧命的。由于大多数资料对温度很灵敏，温度升高时许多资料会分化，分化的部分和电解液产生剧烈的反响，当温度升高到 180 度，正级放氧就建立起焚烧三角，到达焚烧条件就剧烈起火乃至产生爆破。

本征处理方案的处理思路是开展 “本征安全型” 资料，比方阻燃性的电阻等，这面对一个固有的缺陷，便是进步电池安全功用的一起会下降电池的电化学功用。假如阻燃功用进步，这个时分电池愈加安全，一起电池的能量密度和电化学功用就会逐渐衰减，怎么处理资料的安全性和电化学功用之间的对立是咱们考虑的问题。

为了便于研讨，刘凯团队将进程分为安全隐患的萌发、延伸、迸发三个阶段，不同阶段电池对资料的要求不相同，相应定制了一些经过分子规划定制新的资料。

安全隐患的萌发阶段制备了高分子的涂层，让其在电级外表主动识别确诊危险性的晶体，实质上消除电池产生热失控，还配备了新颖三维结构锂负级，使得电池遭到机械磕碰，比方说电动车磕碰刮蹭的时分会吸收到这一部分的能量保证安全性，别的制备了三明治型隔阂。在安全隐患的迸发阶段制备了制能的资料，可以完成有用防火。

刘凯具体共享了这两个阶段的研讨成果，在安全隐患的萌发阶段，金属锂最天然的资料容量可到达 3860，是石墨的十倍之多，会在充放电锂离子堆积的热门形成正级负级短接，然后引起形成电池的起火和爆破。

从实质上来讲是由于这些锂堆积的热导致速度加速产生锂枝晶，化学结构里边有一些动态交流的系统共价键，不断地进行硼和氧共价键的开裂，模量跟着遭到剪切速率进步而敏捷增大，该资料表现了很好的流动性，在较高的剪切速率下，表现出很好固体绝缘性。

可以看到假如把它涂到锂外表，假如有锂枝晶产生就会主动做出呼应，敏捷变硬然后把锂枝晶按捺掉，一旦刺过来就会敏捷变硬嫁接到锂外表，使用这种机理可以堵截锂枝晶恶性循环，然后使得锂堆积变得完好消除锂枝晶的产生。

经过试验数据可以看出，把高分子涂到锂金属外表，可以在低和高的电流密度下完成很好的循环稳定性，锂可以产生许多晶体掩盖高分子锂外表变得十分平坦，高分子有用阻挠锂枝晶的产出。

刘凯表明：“经过屡次验证，产生的晶体可以经过理论模仿很明晰地看到具体的进程，锂枝晶长出动态高分子膜会变硬，进一步阻挠锂枝晶的产生，这验证了咱们的规划，的确是咱们幻想的机理。”

怎么处理电池自燃或爆破等难题

经过一些智能的影响使相应的高分子和锂枝晶复合，可以根本上消除锂产生枝晶的可能性，然后保证了电池的安全。值得重视的是，电池中的部分成分，如电解液是高度易燃的液体，一旦遇到高温环境时，就可能会产生自燃，乃至会导致电池产生起火和爆破，这便是电池起火的本源。

那么，应该怎么处理这个问题呢？常见的办法或许平常简单想到的战略是往电解液里边增加阻燃剂，这些阻燃剂归于含磷分子，当不断往电解液里边增加时，可以看到跟着分子浓度越来越高，电解液焚烧的功用可以敏捷下降，所以这是有用下降电解液焚烧功用的好办法。

从外表作用来的确十分好，假如调查电池的循环状况会发现，假如阻燃剂越来越多，电池的功用却在敏捷下降，比照看一下可以发现，当阻燃剂质量分数大于 35% 时，电解液尽管不会焚烧，可是也不能再用了，所以阻燃剂加少了没有用，加多了也不可。

该团队把电池资料做成智能的 “分子灭火器”，行将阻燃剂用一个慵懒高分子外壳给维护起来，做成纤维和无纺布电池的隔阂，由于这个慵懒的外壳具有阻挠功用，所以阻燃分子被包在里边不会影响电池的功用，一旦电池温度升高，外面的高分子外壳通透性就会进步，敏捷地把里边防火剂开释电池内部，把电解液的焚烧功用下降，在不丢失电池在常温下电循环功用的一起进步其安全性，这就处理了能量密度和安全性之间的对立。

刘凯还具体地共享了一些要害的数据，比方 XPS 和 SEM，经过某些战略把纤维切开，可以看到截面的确是如核壳结构相似电缆，把它放到电池里边看电池的功用，看到数据黑色的点是商业职业隔阂，蓝色的点则是刘凯团队规划的隔阂。

可以调查到电池的功用初期有不太好的现象，可是很快就能康复到正常的状况。做一个比照试验，假如把等量的阻燃剂直接扔到电解液里边，可以看到电池的容量现已降到 0，所以，这个灭火器的规划十分有必要。

室温可以表征电解液里边阻燃剂的浓度，信号越高代表浓度越高，假如放到 160 度，可以调查到里边的灭火器开端发挥作用；把里边的阻燃剂放到电解液里边现已是阻燃的状况，电解液焚烧的参数大约可以从 100 降到 10 以下，阻燃资料对温度是比较灵敏的。

刘凯表明：“咱们捉住锂电池热失控的主线规划了不同的智能资料，期望可以进步安全功用的一起，不危害乃至进步电池的能量密度，这可能是未来高能量电池开展的一个方向。”