乌达爱新平团队的恩泰: 新型PTC材料有助于电池安全

电池安全是整个锂离子电池开发的重要研究方向之一. 无论是消费电池还是热能电池，随着电池能量密度和容量的不断提高，安全问题变得越来越严重. 三星银河Note7手机电池爆炸事故和最近发生的电动汽车失火事故都引起我们极大的关注，这提醒我们，我们绝对不能因电池安全问题而瘫痪.

正温度系数（PTC，正温度系数）是一种电阻随温度升高而增加的材料. PTC在锂离子电池中的应用已经研究了很多年，目前已广泛用于某些消费电池和18650动力电池. PTC主要涂覆在正极活性材料和铝箔之间. 当电池上升到一定水平时，其电阻值会增加，从而限制甚至阻塞电子电路，从而防止发生电池热失控. 但是，以往的PTC材料和涂层结构仍存在明显的缺点: （1）电池的短路保护作用不明显； （2）对于大型电池，需要提高PTC对温度的敏感性.

成就简介

武汉大学艾新平教授的团队对电池安全性，特别是电池安全保护中的PTC进行了非常深入的研究，是中国这一领域的领导者. 针对上述PTC材料的缺点，研究小组最近提议使用聚（3-辛基吡咯）: 聚（苯乙烯磺酸盐）（P3OPy: PSS）/碳复合材料（缩写为P3OPy）作为新型PTC材料，并在3.41中对该Ah的LiCoO2软包装电池进行了验证. 与以前的PTC材料不同，P3OPy直接涂有LiCoO2，其导电性优于常用的导电剂SP，不仅不影响电池的电化学性能，而且还可以保护过充电，加热期间的安全性和针刺测试显着. 结果发表在储能材料上，标题为对温度敏感的聚（3-辛基吡咯）/碳复合材料电芯ptc保护，可作为阴极的导电基质，用于制造更安全的锂离子电池.

图形指南

一个. P3OPy的理化性质表征

图1. P3OPy / C复合PTC材料的物理和化学特性的表征: （a）电阻与温度的关系曲线； （b）TEM图像； （c）与常用导电剂SP的粒径和比表面积进行比较; （d）在室温下比较电导率与SP； （e）TG曲线​​； （f）与SP CV曲线比较.

本研究中使用的新型PTC材料缩写为P3OPy，它是由聚（3-辛基吡咯），聚（苯乙烯磺酸盐）和炭黑合成的. 其中，聚（3-辛基吡咯）起核心热作用. 聚（苯乙烯磺酸盐）的作用是对聚（3-辛基吡咯）进行阴离子掺杂以提高后者的电导率，炭黑的作用是进一步改善复合材料. 电导率. 如图1a所示，室温下P3OPy的电阻率仅为0.03Ωcm，环路中的二极管可以正常发光；当温度升至100-120℃时，其电阻率跃升至1.3×104Ωcm，电阻率与正常温度相比增加了4倍以上，并且环路中的二极管不再正常发光. 值得注意的是，传统PTC材料的热敏机理是温度膨胀和体积膨胀，而P3OPy是热掺杂的阴离子提取，其原理有根本不同. TEM图像显示P3OPy颗粒的粒径约为30 nm，分散体相对均匀，并且彼此连接形成导电网络. 与常用的导电剂SP相比，P3OPy具有更小的粒径，更大的比表面积和更好的电导率，这表明P3OPy不仅更易于分散，而且电极电导率也有更明显的改善. 另外，如图1e所示，P3OPy在约450℃开始发生热分解反应，具有良好的热稳定性.

两个. LCO（LiCoO2）电极和LCO-P3OPy电极的电化学性能比较

图2. LCO（LiCoO2）电极和LCO-P3OPy的电化学性能比较

基于P3OPy材料的物理和化学特性的表征，作者对LCO电极中P3OPy的电化学性能进行了比较分析. 如图2a所示，LCO电极和LCO-P3OPy电极的CV曲线特性几乎相同，但是后者具有较大的电流值，这表明P3OPy不仅不对PCO的电性能产生负面影响电极，但也提高了电极的导电性. 如图2b所示，LCO电极和LCO-P3OPy电极的放电容量也几乎相同. 由于混合了P3OPy，LCO-P3OPy电极的放电容量略高. 如图2c所示，普通LCO电极在120℃仍能向外放电，而LCO-P3OPy电极在120℃时的放电容量急剧下降，即使在150℃时，也完全不可能进行外部放电，这表明P3OPy的混合确实会带来良好的电极. 热敏作用. 图2d所示的EIS结果也说明了这一点. 普通LCO电极在室温和120℃时的阻抗变化不大，而LCO-P3OPy在120℃时的阻抗远大于室温.

三个. LCO电池和LCO-P3OPy电池的安全性比较

图3. LCO电池和LCO-P3OPy电池的安全性比较: （a）过充电； （b）（c）加热至150℃； （d）针刺检查； （e）针刺测试电压和电池表面温度曲线.

P3OPy在LCO电极端子处的性能非常好. 在小型软包装电池中效果如何？作者分别通过过充电，加热和针刺测试比较了LCO电池和LCO-P3OPy电池的安全性. 如3a所示的过充电测试结果所示，LCO电池在SOC约159％的电压下浪涌，并发生热失控电芯ptc保护，电池表面的最高温度超过500°C；而LCO-P3OPy电池的最大电压保持在约5V，甚至达到180％. SOC电池尚未热失控. 与过充电的结果类似，普通的LCO电池在加热和针刺测试中均发生热失控，而LCO-P3OPy电池则没有热失控，电压仅略有降低. 以上三个测试结果表明，混合P3OPy确实可以显着提高LCO电池的安全性. 值得注意的是，过去，PTC材料对电池的短路保护没有明显的影响，但是本研究中P3OPy的混合显着改善了LCO电池的针刺触发内部短路的结果.

图4.充满电的LCO和LCO-P3OPy粉末的DSC结果比较

除了上面提到的LCO-P3OPy的热敏效应外，作者认为P3OPy的良好热稳定性也是提高电池安全性的重要因素. 如图4的DSC结果所示，LCO的放热峰出现在254℃和289℃，并且放热峰为1246J / g. LCO-P3OPy的放热峰出现在271°C和301°C，发热量为670 J / g. 从DSC结果不难看出，与LCO相比，LCO-P3OPy不仅延缓了放热峰，而且大大降低了放热，表明LCO-P3OPy的热稳定性得到了大大提高.

四个. LCO电池和LCO-P3OPy电池的电气性能比较

图5. LCO电池和LCO-P3OPy电池的电气性能比较

（a）25°C 1 C循环容量保持率； （b）不同速率下的25°C速率容量保持率； （c）45°C 1 C循环容量保持率； （d）以50％SOC EIS拆卸电池后的正极.

最后，作者比较了LCO电池和LCO-P3OPy电池的电气性能. 如图5所示，无论是25°C的循环保持率，不同速率的保持率，45°C的循环保持率还是EIS结果，LCO-P3OPy电池的性能都优于LCO电池的性能，表明P3OPy的引入正在改善. 在电池安全性的前提下，电池的电气性能也得到了改善，这是非常罕见的.

本文来自电脑杂谈，转载请注明本文网址：
http://www.pc-fly.com/a/dianqi/article-283605-1.html