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华中科技大学黄云辉教授课题组EER最新综述:构筑安全锂离子电池用于电动汽车

已有 510 次阅读 2020-7-6 13:44 |系统分类:论文交流

最近,华中科技大学黄云辉教授课题组在国际知名期刊Electrochemical Energy Reviews上发表题为“Building Safe Lithium-Ion Batteries for Electric Vehicles: A Review”的综述论文,本文的主要目的是从材料和电池两个层面为安全高能量密度电池的设计提供一些指导。

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文章题目:Building Safe Lithium-Ion Batteries for Electric Vehicles: A Review

作者:Jian Duan, Xuan Tang, Haifeng Dai, Ying Yang*, Wangyan Wu, Xuezhe Wei*, Yunhui Huang*

Jian Duan, Xuan Tang Haifeng Dai为共同第一作者。

关键词: 电动汽车 锂离子电池 安全 电池设计 实时监测

引用信息: Duan, J., Tang, X., Dai, H., Yang, Y., Wu, W., Wei, X., Huang, Y. Building Safe Lithium-Ion Batteries for Electric Vehicles: A Review. Electrochem. Energ. Rev. 3, 1–42 (2020). https://doi.org/10.1007/s41918-019-00060-4

 

图文摘要

 

综述亮点

1、系统论述锂离子电池的安全特性,分别从温度和电压两个维度展开,如高/低温安全特性及其失效机理;

2、从正极、负极、隔离膜和电解液等电池重要组件出发,系统地论述了锂离子电池的失效机制,并有针对性地总结出安全电池的设计思路;

3、在安全电池设计的基础上,为确保电池始终工作在合适的区间,本论文进一步综述电池层面的多种原位和在线监控手段,如利用光纤光栅传感器和气体传感器实时在线监控电池的内部状态;

4、从电池各个组件及单体电池角度出发,为设计高安全、高比能的锂离子电池提供可靠的指导路线。

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前言

锂离子电池因具有高的能量密度和长的循环寿命,被广泛地应用于我们的生活中,如3C电子产品、无人机等领域,深刻地影响着我们的生活方式。2019年的诺贝尔化学奖(2019 Nobel prize in chemistry)授予三位在锂离子电池研发过程中有突出贡献的科学家,足见锂离子电池的重要性。现在锂离子电池的应用领域进一步扩展,也被广泛应用于电动汽车中和储能领域。然而,近期,市场上电动汽车的安全事故频发,在很大程度上限制了锂离子电池的发展。提高锂离子电池的安全性能对于推广电动汽车意义重大。近年来,为了提高电池的安全性能,研究者们探究了电池的失效机理,并提出了相应的解决思路;同时,在电池层面开发了一些更好的检测电池工作状态的原位和在线监测手段。本综述首先概述了电池安全特性;然后从正负极、电解液以及隔离膜等电池组件和单体电池层面,对如何提高电池的安全性进行了综述;最后对提高车用动力电池的安全性提出了几点展望和建议。

 

论文简章

Abstract

Introduction

1 Safety issues in LIBs

2 Safety features of LIBs and certification standards

2.1 Safety features of LIBs

2.1.1 LIB behaviors at various voltages

2.1.2 LIB behaviors at various temperatures

2.2 Certification standards of LIBs for EVs

3 Designs for safe LIBs on the cell level

3.1 Cathode materials

3.1.1 Failure mechanisms of cathodes

3.1.2 Cathode material design for safe LIBs

3.2 Anode materials

3.2.1 Failure mechanisms of anodes

3.2.2 Anode modifications for safe batteries

3.3 Separator materials

3.3.1 Modification of traditional polyolefin membranes

3.3.2 Novel separators with high thermal stability

3.3.3 Functionalized separators

3.4 Electrolyte materials

3.4.1 Failure mechanisms of electrolytes

3.4.2 Novel electrolytes for safer LIBs

3.5 Electrode design

3.6 Temperature coefficient device

4 Monitoring cells for EV applications

4.1 Monitoring temperature and voltage

4.2 Monitoring Li dendrites

4.2.1 On-line monitoring

4.2.2 In-situ/Ex-situ detection

4.3 Detecting gas leakage

5 Summary and Prospects

 

本文首先介绍了锂离子电池安全对于电动汽车行业发展的重要意义以及锂离子电池安全所面临的严峻的考验。然后对锂离子电池的安全特性进行全面的总结,从温度和电压两个维度进行剖析。接下来,作者系统阐述了电池四大重要组件(正极、负极、电解液以及隔离膜)对于安全电池设计的重要意义以及一些有效的设计思路。最后,作者将视角延伸到对于电池单体的原位和在线检测技术,并对未来电池体系提出了一些展望。

电池安全特性

 

1:电池安全特性

由于锂离子电池对温度和电压极为敏感性,如上图1所示,根据电压和温度对电池性能的影响,将电池状态分为四个区域:正常工作区域、警戒区域、损坏区域以及危险区域。通过这个二维图示的分析,我们可以得知电池安全的两个关键点:(1)设计使用区间更为宽泛的安全电池,(2)实时监测电池的工作状态,对电池的健康状态进行跟踪,确保电池始终工作在安全的状态下。

安全电池设计

提升锂离子电池安全最为关键的就是要给电池加入更多的安全基因,通过使用安全性能更好的电池组分来设计安全电池。本文首先系统地总结不同电池组分在电池安全问题中的失效机理,然后针对性的根据不同组分的失效机理,总结了一系列的解决思路。其中正极材料,隔离膜和电解液等组分安全设计对于提升电池整体安全尤为关键。例如,通过对正极材料进行包覆、掺杂、梯度材料设计等,使用不可燃电解液以及高热稳定性的隔离膜等方法提升锂离子电池的安全性能。同时,我们还总结了正温度系数材料在电池安全中的应用。

 

电池状态实时监测

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2电池状态监测新型传感器示意图

由于电池的性能与温度和电压等参数紧密相关,因此,实时监测电池状态对动力电池的安全性有着重大的意义。本文概括了多种在线监测技术,如针对电池温度监测所开发的无损植入的传感器(如上图2所示),包括柔性异形薄膜传感器、布拉格光栅传感器。此外,还总结了通过电化学阻抗谱(EIS)来估计电池内部温度的方法。内短路是锂离子电池失效的主要诱因之一,如锂枝晶形成导致的内短路。本文综述了多种锂枝晶的在线监测技术,包括通过参比电极来测量负极的对锂电位、高精度测量电池库伦效率、测量电池厚度变化以及辨识电池充电后的电压平台变化等方法。除此以外,本文还介绍了锂离子电池电解液泄露的监测技术,这一领域现在引起的关注还不够。

结论和展望

开发高比能量和高安全电池对于电动汽车的发展具有重要意义。对锂离子电池的失效机理的深入研究为安全电池设计提供一系列思路。如在电池各组件层面,构建全梯度浓度的富镍氧化物正极材料来平衡能量密度和热稳定性;在负极表面构筑稳定性更好的SEI膜界面层;设计具有高热稳定性、耐压性的隔膜以及新型的电解液体系。从单体电池层面,对电池工作过程中的温度、电压、产气以及锂枝晶等进行实时监测,提前预防可能存在的潜在危险。

为从本质上解决锂离子电池的安全问题,固态锂离子电池是未来发展的必经之路之一。尽管目前的准固态锂离子电解质具有高的离子电导率和易制备的特性,但固态电解质与锂金属负极之间的界面兼容性和固态锂离子电池的大规模生产技术问题,仍是固态电池未来发展所面临的重大挑战。

 

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Electrochemical Energy Reviews (《电化学能源评论》,简称EER),该期刊旨在及时反映国际电化学能源转换与存储领域的最新科研成果和动态,促进国内、国际的学术交流,设有专题综述和一般综述栏目。EER是国际上第一本专注电化学能源的英文综述性期刊。EER覆盖化学能源转换与存储所有学科,包括燃料电池、锂电池、金属-空气电池、超级电容器、制氢-储氢、CO2转换等。

EER为季刊,每年3月、6月、9月以及12月出版。

创刊号在20183月正式出版。

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