锂离子电池电解液阻燃添加剂的研究进展

锂离子电池电解液阻燃添加剂的研究进展

综述

锂离子电池电解液阻燃添加剂的研究进展

贺1,孔令丽1,张莹莹1,于申军1,梁广川2

(1.天津力神电池股份有限公司,天津300384;2.河北工业大学材料学院,天津300130)

摘要:在锂离子电池电解液中加入阻燃添加剂能够有效提高电池的安全性,是一种简单实用的技术方法。综述了有机磷系、有机氟系、复合功能等三类阻燃添加剂的最新研究进展,并简单介绍了阻燃作用机制,最后对其发展方向进行了展望。

关键词:锂离子电池;电解液;阻燃添加剂;进展中图分类号:TM912.9

文献标识码:A

文章编号:1002-087X(2009)09-0819-03

Researchprogressofflameretardantadditivesinelectrolytes

forLi-ionbatteries

LIHe1,KONGLing-li1,ZHANGYing-ying1,YUShen-jun1,LIANGGuang-chuan2

(1.TianjinLishenBatteryJoint-StockCO.,LTD,Tianjin300384,China;2.HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,China)

Abstract:Thesafetyoflithiumionbatterywasincreasedasaresultofaddingofflameretardantadditiveintheelectrolyte,whichwasasimpleandusefultechnologicalmethod.Thispapersummarizesthecurrentstatusoftheflameretardantadditivesincludedorganicphosphorus,organicfluoricandcompositefunction.Themechanismofflameretardantwasintroducedsimply.Finally,thedevelopmentprospectoftheminthefuturewaspredicted.Keywords:lithiumionbattery;electrolyte;flameretardantadditive;progress锂离子电池以其高比能量、高电压、无记忆效应、环保以及寿命长等优点,作为可靠的能源已广泛应用于便携式电子产品如移动电话、笔记本电脑及小型电源驱动设备的电源[1]。但近些年,各国都发生了多起电池安全事故,这主要是由于电池在滥用(热冲击、过充、短路等)状态下引起热失控而导致的安全性问题,特别是在电动车等大容量电源应用方面,安全问题尤其重要。

目前,锂离子电池的电解质大多为有机液体电解质,由有机溶剂和导电锂盐组成。常用的有机溶剂为烷基碳酸酯类化合物,如碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸甲乙酯(EMC)等。由于这些有机溶剂的闪点都很低,使锂离子电池的电解质溶液(电解液)极易燃烧。尽管电池配有保护电路、安全阀和正温度系数热敏电阻(PTC)等,但也不能完全避免这些有机溶剂出现泄漏、燃烧甚至爆炸的情况。阻燃添加剂的加入可以使易燃有机电解液变成难燃或不可燃,降低电池放热值和电池自热率,同时也提高电解液自身的热稳定性,因而是一种简单实用的技术方法。

阻燃添加剂的研制已经成为近年来锂离子电池研究的重要方向[2]。本文简单分析了阻燃机理,重点综述了锂离子电池电解液阻燃添加剂的最新研究进展,并对阻燃添加剂的发展方向进行了展望。

收稿日期:2009-04-13作者简介:李贺(1978—),男,辽宁省人,博士,工程师,主要研究方向为化学电源及电化学相关技术。

Biography:LIHe(1978—),male,PhD.

1阻燃机理分析

阻燃机理源于高分子聚合物的阻燃机理,其作用机理比较复杂,但其目的总是以物理和化学的途径来切断或抑制燃烧反应。在不影响电池电化学性能的条件下,阻燃添加剂主要表现在如下几方面:(1)添加剂受热分解,释放出捕获燃烧反应中的·OH(羟基)自由基,使按自由基链式反应进行的燃烧过程终止;(2)加入无闪点或高闪点的阻燃添加剂来替代或部分替代易燃和热稳定性差的有机溶剂,使其本身的闪点提高,燃烧性降低;(3)添加剂吸热分解,利用热分解时生成的不燃性气体的气化热来降低电解液的温度,使其温度减慢上升。总之,阻燃添加剂的作用能综合地使燃烧反应的速度变慢或者使反应的引发(热自燃)变得困难,从而达到抑制或减轻锂离子电池热失控的目的。

目前,为大部分研究者所认可的阻燃添加剂作用机制是自由基捕获机制。基本原理是:阻燃添加剂受热时,释放出具有阻燃性能的自由基,该自由基可以捕获气相中的氢自由基或氢氧自由基,从而阻止这些自由基的链式反应,使有机电解液的燃烧无法进行或难以进行,提高锂离子电池的安全性能。X.M.Wang等[3]以磷酸三甲酯(TMP)为例,阐述了阻燃添加剂TMP的作用机理,TMP在受热的条件下首先气化,气态TMP分子分解释放出含磷自由基,含磷自由基与氢自由基结合,此反应能降低体系中氢自由基的含量,有效阻止有机溶剂的燃烧或爆炸。反应式如下:

TMPliquid→TMPgas

TMPgas→[P]·

(1)(2)

819

2009.9Vol.33No.9

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