钜大LARGE | 点击量：828次 | 2019年04月27日
使用固体电解质能够有效提高锂离子电池的安全性你知道吗？
锂离子电池目前已成为笔记本电脑和手持系统能量来源（电源）的首选。随着CPU、显示器和DVD驱动器对电源功率的需求持续增长，高能量密度的电池组也不断发展。同时，大批量制造工艺保证了高能量密度电池组有一个合理的价格水平。
许多新技术，在提高性能的同时也增大了系统的功率消耗。对生产电池的化工企业来说，电池生产技术的实质性进展是很困难的，耗时长、成本高。所以必须寻找寻找优化电源保存的方法。智能电池系统（SBS）是出现的最有希望的技术，可以大大提升电池组的性能。
在计算机工业界，对锂离子电池真是又爱又怕。在锂离子电池应用的早期所发生的事故，仍然让曾涉入的公司记忆犹新。他们得到了印象深刻的教训：在任何情况下，都不能超过锂离子电池的额定参数，否则肯定会引起爆炸或起火。
除电池的化学成份或电极等参数外，对锂离子电池来说，还有几个确定的参数，如果超过了会使电池进入失控的状态。在解释这些参数的图表中（参考锂离子参数图），相应阈值曲线外的任一点都是失控状态。随电池电压增加，温度阈值下降。另一方面，任何致使电池电压超过其设计值的行为都会导致电池过热。
谨防充电器造成危害
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
电池组制造商设定了几层电池和包装保护，以防止危险的过热状态。但在电池使用中有一个部件可能会使这些措施失败从而造成危害，这一器件就是充电器。
充电锂离子电池造成危害的途径有三种：电池电压过高（最危险的情况）；充电电流过大（过大充电电流造成锂电镀效应，从而引起发热）；不能正确地终止充电过程，或在过低的温度下充电。
锂离子电池充电器的设计人员采取额外的预防性措施以避免超出这些参数的允许范围。以绝对保证系统有关参数工作在安全的范围内。
例如智能电池充电器规范，允许-9%的电压负偏差，但强调正偏差不得超过1%。保证了符合智能电池安全标准。当然，在实际设计中，偏差的正负是随机的。所以符合此规范的设计经常是使充电器的目标电压值设定在额定值的-4%附近。
由于充电电压的不准确（不管是-4%还是-9%），电池始终处于充电不足的状态。对锂离子电池潜在危险的恐惧导致电池组容量的利用率很低。根据业界专家的经验，即使充电后电压只比额定值低0.05%，容量的下降却高达15%。
电池内置入计算机
智能电池技术的原理是很简单的，在电池内置入小型计算机来监视和分析所有的电池数据，以精确预报剩余电池容量。剩余电池容量可以直接换算成便携式计算机的剩余工作时间。与原始的仅靠电压监测的容量测量方法相比，可以立即使工作时间延长35%。
遗憾的是，智能电池技术也就只能做到这么多了。除非可以和充电器电路互相通信，他们不可以确定其操作环境或对充电过程进行控制。
在“智能电池系统”环境下，在特定的电压和电流情况下，电池请求智能充电器对其进行充电。然后，智能充电器负责根据请求电压和电流参数对电池进行充电。
充电器依靠自己内部的电压和电流参考调整自己的输出，以与智能电池请求的值相匹配。由于这些基准的不准确度可达-9%，所以充电过程可能在电池只是部分充电的情况下结束。
对充电环境的更详细了解可以揭示出更多影响锂离子电池充电效率的问题。即使在最理想的情况下，假设充电器的精确度为100%，充电通路上位于充电器的电池间的电阻元件引入了额外的压降，特别是恒流充电阶段。这些额外的压降导致充电过程过早地从恒流进入恒压阶段。
由于电阻引入的压降随电流降低会逐渐减弱，充电器最终会完成充电过程。但充电时间会延长。恒流充电过程中能量的转移效率要高一些。
消除电阻压降
最理想的情况是充电器的输出准确地消除了电阻压降的影响。可能会有人提出这样的解决方案，在充电过程的所有阶段，智能充电器利用智能电池内监测电路数据监视并校正自己的输出。对单个电池系统来说，这是可行的，但对双或多电池系统就不太适用了。
在双电池系统中，如果可能的话，最好是同时对两个电池进行充放电操作。虽然电池充电是并行的，典型的只有一个SMBUS端口的充电器还是不能胜任这一工作。因为如果只有一个SMBUS端口，充电器或其它SMBUS设备，只能同时与一个电池进行通信。所以，理想的系统应该提供两个或更多个SMBUS端口，这样，两个电池就可以同时与充电器通信了。
智能电池系统（SBS）管理器
除提供多个SMBUS端口以外，SBS管理器技术也可以大幅提升锂离子智能电池的性能。SBS管理器是SBS的一部分，由SBS1.1规范所定义。它代替了前一版本中定义的智能选择器（SmartSelector)。
SBS管理器一方面提供了与驱动器和振作系统端的接口，另一方面则对智能电池和充电器进行管理。驱动器可读取和请求发送与电池、充电器和管理器本身有关的信息。规范中定义了与这一信息传输有关的接口。在一个多电池系统中，SBS管理器负责选择系统电源，决定在特定的时刻对那一块电池进行充电或放电。简短来说就是，SBS管理器确定对哪一块电池进行充电，哪一块进行放电，以及什么时候进行。
一个实现得好的SBS管理有几大优点：更完全、更快速的充电过程、同时进行高效充电和放电、以及对危险情况（如潜在的电压超限）的检测和快速反应能力。
可以监测电池本身电压的SBS管理器可将电池充到其真实的容量。可以避免由于智能充电器由于监视电压不准（如前所述，一般为-4%到-9%）而造成的充电不足。此外，这一过程并不需要特别精确的基准电压（精确的电压基准是很昂贵的）。
避免使用精确电压基准的策略是利用智能电池内部的测量电路测量电池电压，其精度可达1%。这样，SBS管理器可命令充电器适当增高电压直到监测到的电压达到合适的值。
实现得好的SBS管理器可使电池的充电过程比传统充电器快16%。安全地提高充电器的输出电压，使其高于电池的额定电压以补偿由于电池的内部电阻及回路电阻造成的压降。通过监测电池内部电压并可迅速调整充电器电压，可以实现这一过程。
何时及如何充电
SBS管理器可以决定什么时候同时对电池组进行充电。同时充电允许更好地利用充电器的电流进行充电。在单电池系统中，当进入恒压充电模式时，充电器提供的充电电流随电池充满程度的提高而减小。没有用到的电流被浪费掉了。在利用SBS管理器的双电池系统中就不是这样了，对一块电池充电时利用不上的电流可以为另一块所用。
而且，SBS管理器可以判断哪一块电池的状态可以更快地进行能量传输。可以最快地增加系统容量的电池最先被充电，哪些可以充入更多的能量的电池则先被快速放电。这样可以加快充电过程达60%。SBS管理器还可决定何时使能同时放电功能。适当的同时放电可以使系统容量增加16%之多。
当然，所有这些改进对电池的性能来说都必须是安全的。正如前面讨论过的一样，锂离子电池有一额定电压。当加到电池上的电压达到最大值时，充电过程从恒流转换至恒压模式。对这一转换点的检测，是由智能充电SBS管理器负责的，根据是测量到的电池电压。但SBS管理器比智能充电器的巨大优点是，它可以不断监视和校正充电器以及电池电压。这样在达到电池的最大容量的情况下还保证了安全。
由于计算机等设备性能不断提高，能量的需要增长很快，化学电池的改进还无法赶上这一增长速度。虽然SBS技术非常有帮助，但总会有一天仅靠SBS技术无法提供高性能系统需求的功率，需要更为智能化的电源管理方案。
如果那个OEM厂商可以使笔记本电脑持续工作6个小时而不会明显地影响到性能，就会迅速占领市场。SBS管理器朝这一目标迈进了一大步。
1、使用安全型锂离子电池电解质
目前锂离子电池电解液使用碳酸酯作为溶剂，其中线型碳酸酯能够提高电池的充放电容量和循环寿命，但是它们的闪点较低，在较低的温度下即会闪燃，而氟代溶剂通常具有较高的闪点甚至无闪点，因此使用氟代溶剂有利于抑制电解液的燃烧。目前研究的氟代溶剂包括氟代酯和氟代醚。
阻燃电解液是一种功能电解液，这类电解液的阻燃功能通常是通过在常规电解液中加入阻燃添加剂获得的。阻燃电解液是目前解决锂离子电池安全性最经济有效的措施，所以尤其受到产业界的重视。
使用固体电解质，代替有机液态电解质，能够有效提高锂离子电池的安全性。固体电解质包括聚合物固体电解质和无机固体电解质。聚合物电解质，尤其是凝胶型聚合物电解质的研究取得很大的进展，目前已经成功用于商品化锂离子电池中，但是凝胶型聚合物电解质其实是干态聚合物电解质和液态电解质妥协的结果，它对电池安全性的改善非常有限。干态聚合物电解质由于不像凝胶型聚合物电解质那样包含液态易燃的有机增塑剂，所以它在漏液、蒸气压和燃烧等方面具有更好的安全性。目前的干态聚合物电解质尚不能满足聚合物锂离子电池的应用要求，仍需要进一步的研究才有望在聚合物锂离子电池上得到广泛应用。相对于聚合物电解质，无机固体电解质具有更好的安全性，不挥发，不燃烧，更加不会存在漏液问题。此外，无机固体电解质机械强度高，耐热温度明显高于液体电解质和有机聚合物，使电池的工作温度范围扩大;将无机材料制成薄膜，更易于实现锂离子电池小型化，并且这类电池具有超长的储存寿命，能大大拓宽现有锂离子电池的应用领域。
常规的含阻燃添加剂的电解液具有阻燃效果，但是其溶剂仍是易挥发成分，依然存在较高的蒸气压，对于密封的电池体系来说，仍有一定的安全隐患。而以完全不挥发、不燃烧的室温离子液体为溶剂，将有希望得到理想的高安全性电解液。离子液体是在室温及相邻温度下完全由离子组成的有机液体物质，具有电导率高、液态范围宽、不挥发和不燃等特点，将离子液体用于锂离子电池电解液中有望解决锂离子电池的安全问题。
2、提高电极材料热稳定性
锂离子电池的安全问题是不安全电解质直接导致的，但从根源上来说，是因为电池本身的稳定性不高，热失控的出现导致的。而热失控的发生除了电解质的热稳定性原因，电极材料的热稳定性也是最重要的原因之一，所以提高电极材料的热稳定性也是提高电池安全性的重要环节，但是这里所说的电极材料热稳定性不但包括其自身的热稳定性，也要包括其与电解质材料相互作用的热稳定性。
通常负极材料热稳定性是有其材料结构和充电负极的活性决定的。对于碳材料，球形碳材料，如中间相碳微球(MCMB)相对于鳞片状石墨，具有较低的比表面积，较高的充放电平台，所以其充电态活性较小，热稳定性相对较好，安全性高。而尖晶石结构的Li4Ti5O12,相对于层状石墨的结构稳定性更好，其充放电平台也高得多，因此热稳定性更好，安全性更高。因此，目前对安全性要求更高的动力电池中通常使用MCMB或Li4Ti5O12代替普通石墨作为负极。通常负极材料的热稳定性除了材料本身之外，对于同种材料，特别是石墨来说，负极与电解液界面的固体电解质界面膜(SEI)的热稳定性更受关注，而这也通常被认为是热失控发生的第一步。提高SEI膜的热稳定性途径主要有两种：一是负极材料的表面包覆，如在石墨表面包覆无定形炭或金属层;另一种是在电解液中添加成膜添加剂，在电池活化过程中，它们在电极材料表面形成稳定性较高的SEI膜，有利于获得更好的热稳定性。
正极材料和电解液的热反应被认为是热失控发生的主要原因，提高正极材料的热稳定性尤为重要，在产业界正极材料的开发也更受关注，除了有其价格较高、利润较大的原因外，它在电池安全性中的重要地位也是其备受关注的一个重要原因。与负极材料一样，正极材料的本质特征决定了其安全特征。LiFePO4由于具有聚阴离子结构，其中的氧原子非常稳定，受热不易释放，因此不会引起电解液的剧烈反应或燃烧;而其他过渡金属氧化物正极材料，受热或过充时容易释放出氧气，安全性差。而在过渡金属氧化物当中，LiMn2O4在充电态下以λ-MnO2形式存在，由于它的热稳定性较好，所以这种正极材料也相对安全性较好。此外，也可以通过体相掺杂、表面处理等手段提高正极材料的热稳定性。
