B17-EVA基PTC材料在锂离子电池中用作温控开关

162EVA基PTC材料在锂离子电池中用作温控开关摘要：本文成功的制备了EVA基正温度系数（PTC）复合材料，阻温特性测试表明这种EVA基复合物具备典型正温度系数效应。我们将EVA基PTC材料与锂离子电池正极材料复合，使得复合后的正极也具有了温度开关效应，而且PTC的加入后对电极的电化学性能无不利影响，因而这种PTC复合电极技术能够用于锂离子电池，并能有效防止热失控，提高电池的热安全性能。关键词：正温度系数材料；电流切断；热安全性；EVA；LiFePO4EVA-basedPTCusedasaneffectivethermalregulatorofLithiumionbatteryAbstract:TheEVA-basedPTCmaterialwassuccessfullyobtainedinthisstudy,resistivity–temperaturebehaviorofEVA-basedPTCmaterialwasmeasuredandtheresultsuggestedthattheEVA-basedPTCmaterialshowedatypicalPTCeffect.WeincorporatedEVA-basedPTCmaterialwithinLiFePO4cathode,whichalsoshowedaswitcheffectwithoutanydeteriorationintheelectrochemicalpropertyoftheLiFePO4electrode.Therefore,thePTCcompositeelectrodecanbeusedinlithiumionbattery,andfunctionsasatemperatureactivatedswitch,whichisconsideredtobeaneffectivewaytopreventthethermalrunaway.Keywords:PTCcomposite;currentcutoff;thermalsafety;EVA;LiFePO41前言尽管锂离子电池已经被广泛的应用于日常生活中，但是它的安全性问题一直备受关注，这也是其大规模应用于动力电池的一个亟待解决的瓶颈。锂离子电池在滥用条件下，可能出现热失控从而产生大量的热量使得电池内部温度急剧上升进而导致严重的起火或爆炸事故。而PTC材料具有温度响应特征，在开关转变温度附近其阻值会急剧增大。基于以上因素，我们将EVA基PTC复合材料引入到电池正极中，以期能够给正极赋予温度开关效应，在温度急剧上升时切断电流从而防止热失控。2实验2.1PTC空白膜的制备：按比例称取PEO、EVA和处理的乙炔黑于圆底烧瓶中，加入石油醚溶剂，在105℃下加热搅拌，回流冷凝约5h，然后浇灌并除去石油醚得到的混合物即为PTC空白膜。2.2PTC混合电极和空白电极的制备：将PTC混合物（7.5%）、PTFE（5%）、乙炔黑（20%）和LiFePO4（67.5%）擀膜制备成PTC复合电极；将PTFE、乙炔黑和LiFePO4按5:20:75比例混合擀膜制成空白电极。2.3充放电条件：PTC复合电极或以上空白电极为正极，锂片为负极，1MLiPF6EC/DMC（1:1v/v）为电解液，隔膜为Celgard2300。电池充放电压范围为2.0－4.0V，温度为30或90℃，充放电电流为75mA/g。3结果与讨论将制备的EVA基混合物空白膜裁片并测试其阻温特性，如图1所示。从图中的数据可以看出混合材料的开关转变温度在90℃左右，其PTC强度为463.6（最大电阻值与室温下电阻值的比值），这说明制备出来的EVA基混合物具备典型的正温度系数效应。图2显示了PTC/LiFePO4复合电极在不同温度下放电容量随循环次数的变化。第一周循环在30℃下进行，电池释放了140mAh/g的容量，表明电池在常温下能够进行正常的充放电。将电池放置到90℃的条件下静置1h后再进行充放电测试，基本没有容量释放，这可以归因于电池中的PTC/LiFePO4复合电极在90℃的条件下其电阻值急剧增大，电化学反应被切断。通过测试并对比了PTC/LiFePO4复合电极和空白电极在30℃、不同电流密度下的充放电曲线（图3）。从图中的数据可以看出，在图示的电流密度下PTC/LiFePO4复合电极和空白电极的充放电曲线基本重合，表明加入PTC混合物后对电极的室温电化学性能无不利影响。4结论将制备的PTC混合物与锂离子电池正极材料复合，得到了具有温度开关效应的PTC复合电极。研究发现，当该电极温度达到90℃时，具有正温度效应的PTC组分发挥作用，通过急剧提高电极电阻切断电流，与现有的PTC组件在锂离子电池中的应用不同，PTC复合电极技术可以在最短的时间内感知电池内部的温度异常，并及时切断电流，从而有效避免电池的热失控反应。163图1EVA基PTC混合物膜的阻温特性Fig.1DependencebetweenvolumeresistanceandtemperatureofEVA-basedPTCmaterial.图2PTC/LiFePO4复合电极的放电容量随循环次数的变化Fig.2Dischargingcapacityvs.cyclenumberofPTC/LiFePO4mixtureelectrode图3空白LiFePO4和PTC复合电极在不同倍率下的充放电图(15,30,75,150,300mA/g；2.0–4.0V；30℃)。Fig.3Charge/dischargeprofilesofbareLiFePO4andPTCelectrodesatvariouscurrentrate.(15,30,75,150and300mA/g;2.0–4.0V,30℃)