智能、自適應蓄電池設計

隨著鋰離子電池在全球市場的普及，每年有數十億隻鋰離子電池被生產出來，並進入到消費者手中。鋰離子電池在為我們生活帶來巨大的便利的同時，也隱藏著眾多的安全隱患等問題。近年來，隨著智能化浪潮的發展，越來越多的設備都朝著的智能化方向的發展，例如電視、音箱、汽車等等，它們能夠根據環境、用戶使用習慣等方面，不斷的提高自己，實現自我進化，改善用戶的使用體驗。

對於鋰離子電池而言，在使用過程中可能會面臨不同的使用環境的考驗，有些使用場景可能會對鋰離子電池形成較大的挑戰。我們希望鋰離子電池能夠更加智能一些，能夠根據使用環境及時對鋰離子電池使用策略進行調整，一方面保證鋰離子電池的安全性，一方面也能保證鋰離子電池性能和使用壽命。

1.智能自我保護

鋰離子電池的自我保護是鋰離子電池的最基本的功能，目前鋰離子電池組的BMS系統基本上都能夠實現溫度保護、電流保護等功能，但是這都是在系統層級上的保護，而對於鋰離子電池的智能化設計可以實現鋰離子電池層面的自我保護，例如在電池內增加額外的感應電極、增加溫度反饋智能材料，通過在鋰離子電池內增加一些智能結構和材料，從而實現鋰離子電池智能化設計。

1.1防內短路設計

內短路是影響鋰離子電池安全性的嚴重問題，由於鋰枝晶、多餘物等導致的鋰離子電池內短路，往往會引起嚴重的安全問題。

為了解決鋰枝晶生長導致的內短路事故，人們設計了多種方法監控鋰離子電池內部鋰枝晶的生長。例如Wu等人設計的多功能隔膜，這種隔膜在傳統的聚合物隔膜中間還加入了一層金屬，這層金屬充當了鋰枝晶探測器的功能，通過監測這層金屬與負極之間的電壓差，就可以實現對鋰枝晶的監控，使得該隔膜即保留了傳統隔膜的功能，也實現對鋰枝晶的監控。斯坦福大學的Kai Liu三層複合多功能隔膜，改隔膜的特點是隔膜的中間層加入了SiO2，當鋰枝晶生長到一定程度時，穿刺隔膜時，SiO2會與金屬鋰發生反應，消耗鋰枝晶，從而避免鋰枝晶的進一步生長【1】。

1.2智能防止鋰離子電池過熱

鋰離子電池如果發生過熱（如外部加熱、短路過程自放熱等）會引起隔膜收縮，引起正負極短路，進而導致熱失控發生。傳統的PP-PE-PP複合隔膜在較低的溫度下，能夠實現自動閉孔功能，從而切斷正負極的反應，達到抑制電池過熱的效果，但是如果溫度過高，PP層也發生收縮時，這種三層複合隔膜也就失效了。

為了解決鋰離子電池在過熱情況下的安全性問題，Yim等人設計一款能夠保護鋰離子電池過熱情況下安全的電解液添加材料。我們都知道一般的電解液阻燃劑都會對鋰離子電池的性能造成嚴重影響，因此難以在實際中的應用。而Yim等降阻燃劑裝入了獨立的小膠囊之中，這些膠囊的外壁材料在電解液中非常穩定，因此正常狀況下不會對鋰離子電池性能產生影響。當溫度超過70攝氏度時，在阻燃劑DMTP的蒸汽壓的作用下，引起外殼的破裂，將阻燃劑釋放到電解液之中，導致電解液的電導率急劇下降，阻止電池內進一步發生反應。

上述的方法對鋰離子電池的保護是一次性的，即一旦保護機制啟動，則意味著整個電池失效。為了解決上述問題，Yang等人設計了一種能夠多次啟動的保護措施，該方法的特點是採用能夠在溫度的影響下，進行可逆的溶膠-凝膠轉變的智能電解液。該款電解液主要由PNIPAM/AM構成，當溫度超過轉變溫度時，PNIPAM會由親水性轉變為憎水性，從而極大的抑制離子在其中的擴散。重要的是，在溫度降低時該反應完全可逆，因此可以實現對電池的多次保護，該技術可以應用水系超級電容器上，保護電容器的安全。

2.智能自我修復

隨著鋰離子電池的普及，鋰離子電池面臨的各種傷害的機會也在不斷增加，如果鋰離子電池能夠實現像生物體那樣的自我修復功能，這對於延長鋰離子電池的使用壽命，降低鋰離子電池的安全風險就有非常重要的意義。

2.1外界損傷的自我修復

具有自我修復功能的電池其實不是什麼全新的概念，例如Li-I電池，其隔膜實際上就是Li與I的反應產物LiI，因此在隔膜損壞後，Li與I發生接觸，反應產物LiI就實現了對隔膜的修補。

現代意義的自我修復功能鋰離子電池，更多的是基於多功能材料實現的，例如Wang等人設計的自修復功能的超級電容器，其主要是由超分子材料形成的網構成，材料內眾多的氫鍵使得材料在面對機械損傷時具有自我修復的特性。在50攝氏度下，材料被切斷後，能夠在5min之內自我癒合。

上述的自癒合設計主要是針對水系超級電容器，自癒合鋰離子電池的設計還面臨不小的挑戰，這很大程度是因為鋰離子電池的有機電解液暴漏在空氣之中，會嚴重的影響鋰離子電池的性能，因此自癒合鋰離子電池設計還需要依賴電解液的持續改進。

2.2形狀記憶能力

隨著可穿戴設備的普及，傳統的硬殼結構的鋰離子電池已經無法滿足實際應用的需求，因此能夠在受到外力（如熱、電磁力、壓力等）發生形變後，能夠恢復初始設計形狀，就成為了特種鋰離子電池的需求。Yan等人利用形狀記憶合金TiNi設計的具有形狀記憶能力的超級電容器，TiNi合金的相變溫度為15攝氏度，而人體皮膚表面的溫度大約在35攝氏度左右，因此該電容器能夠在人體體溫的作用下恢復到初始的形狀，自動纏繞在手腕上。

如果把上述的形狀記憶合金TiNi做成纖維狀，還能夠製成多種形狀的具有形狀記憶功能的電池。這一功能在航天領域有著很好的應用前景，在發射之前，首先在較低的溫度下，將電池摺疊盡量縮小體積，進入太空後，恢復溫度，則電池自動回復其初始形狀，並且在整個過程中電池的電性能不受任何影響，這將極大的提升航天發射的效率。

智能化浪潮是一個不可逆的趨勢，鋰離子電池的智能化發展將是一個非常重要的方向，隨著材料和設計技術的不斷進步，相信我們在未來將能夠見證更加智能、更加人性化的蓄電池的誕生。

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