李伟峰副教授、陈玉鹏博士， AS综述：仿生热失控抑制胶囊实现高安全-高电化学性能锂离子动力电池- 大数跨境

首页

李伟峰副教授、陈玉鹏博士， AS综述：仿生热失控抑制胶囊实现高安全-高电化学性能锂离子动力电池

科学材料站

2021-12-24

导读：该综述文章总结和分析了近期在动力电池仿生热失控抑制胶囊研究方面取得的进展，并提出了未来在此方面所需解决的问题。

文章信息

仿生热失控抑制胶囊实现高安全-高电化学性能锂离子动力电池

第一作者：高振海，饶顺

通讯作者：李伟峰*，陈玉鹏*

单位：吉林大学，北京航空航天大学

研究背景

以热失控为特征的电动汽车火灾事故严重阻碍新能源汽车大规模推广。采用电解液阻燃添加剂、毒化剂等热失控抑制剂可有效改善电池安全性，但往往以牺牲电化学性能为代价，因而难以应用。仿生热失控抑制胶囊可同时兼顾电池安全性与电化学性能。

本期综述总结了仿生热失控抑制胶囊的制备方法，定义了热失控自抑制型动力电池，同时还回顾了近期在动力电池仿生热失控抑制胶囊研究方面取得的进展，并就如何进一步理解和解决这些问题进行了讨论。本文为未来的研究提供了方向，有助于加速车用动力电池安全问题解决方案的研究及实际应用。

文章简介

在这里，来自吉林大学的李伟峰副教授与北京航空航天大学的陈玉鹏博士合作，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Bioinspired Thermal Runaway Retardant Capsules for Improved Safety and Electrochemical Performance in Lithium-Ion Batteries”的综述文章。

该综述文章总结和分析了近期在动力电池仿生热失控抑制胶囊研究方面取得的进展，并提出了未来在此方面所需解决的问题。

图1. 基于仿生胶囊的动力电池热失控抑制方案

本文要点

要点一：热失控自抑制电池

自然界中种子、果实、蛋等具有核壳结构，壳将核与外界隔离起到保护作用，并在需要时破裂释放核材料如种子发芽、鸟类孵化等。受此启发，在电池正常工作时胶囊外壳将抑制剂与电解液隔离，以免恶化电池电化学性能；当即将发生热失控时，壳受热融化破裂释放抑制剂，起到缓解甚至阻止热失控的作用。

该方案可同时兼顾电池安全性与电化学性能，弥补了传统阻燃添加剂的不足。胶囊化抑制剂是电池材料的一部分，热失控抑制源于电池本身，因此也可称为“热失控自抑制电池”。

要点二：仿生热失控抑制胶囊

胶囊类型可分为微胶囊、外部胶囊和集成式胶囊。微胶囊是指将抑制剂进行微胶囊化形成粒径介于1 µm和1000 µm之间的颗粒，并可涂敷在隔膜上、分散在电解液中或掺杂在电极材料中。外部胶囊是将毒化剂密封在封装包内，并放置在电池卷芯与壳体中间。

此类胶囊尺寸较大，且不能与电池材料掺混，因此称为外部胶囊。集成式胶囊是将隔膜、集流体等设计成中空并填充抑制剂形成的核壳结构电芯部件，即将抑制剂与电芯部件集成在一起。

要点三：胶囊化抑制剂对电池安全性与电化学性能的影响

胶囊化抑制剂在几乎不影响电池电化学性能的前提下，可大幅度改善电池安全性，如采用微胶囊后针刺实验中电池最高温度可下降74%；采用独立式胶囊后针刺实验中电池温度仅升高了5℃；采用基于集流体的集成式胶囊，电池阻燃实验中燃烧微弱且在6 s内自熄，且有望将电池比能量提高~16–26%。

要点四：前瞻

当前对车用动力电池胶囊化抑制剂的了解和研究仍然有限，这也是未来研究的一个潜在方向。选择合适的壳材料与芯材料是实现平衡电池安全性与电化学性能的关键，同时制备工艺的简化及其大规模生产是实现应用的前提。

抑制剂胶囊的优化设计是未来的研究重点之一，可借助仿生手段从机理上开发更多新型胶囊，如借鉴叶片基于CO2的气孔开闭，可设计基于电池热失控气体的胶囊壳体实现对芯材释放的控制。

如何拓宽抑制剂的种类是实现良好热失控抑制的关键，如将热失控抑制效果较好的毒化剂制备成胶囊。集成式胶囊是将来的一个研究热点，因为该方案不改变电池结构，且有望在实现高安全、高电化学性能的同时，实现高比能，是为数不多的实现多种性能同时优化的创新性较强的热失控抑制方案。

文章链接

Bioinspired Thermal Runaway Retardant Capsules for Improved Safety and Electrochemical Performance in Lithium-Ion Batteries

https://doi.org/10.1002/advs.202103796

通讯作者简介

李伟峰副教授

2016年博士毕业于吉林大学汽车工程学院，博士师从刘忠长教授，随后在清华大学欧阳明高院士课题组从事博士后研究工作。2020年加入吉林大学，现为汽车仿真与控制国家重点实验室副教授，兼任Journal of Electrical and Electronic Engineering编委、International Conference on Energy、Environment and Materials Science组委会成员（2017）、Bentham科学出版社大使（2019-2020）、eTransporation审稿专家等。研究方向为新能源汽车热安全，重点从事动力电池热失控自抑制理论与技术、电池智能材料开发等研究，在国际著名期刊发表第一/通讯作者身份在Advanced Science、Energy Conversion and Management、Energy、Journal of Energy Storage、iScience、Cell Reports Physical Science等学术刊物上发表SCI论文15篇，其中国际JCR一区论文12篇，top期刊论文9篇，Cell子刊论文2篇；以第一发明人授权发明专利3项，主持/承担2项国家级项目；获得首届中国汽车工程学会优博论文提名奖。

陈玉鹏博士

2019年博士毕业于中国科学院理化技术研究所，师从王树涛研究员，随后在北京航空航天大学江雷教授课题组从事博士后研究工作。目前主要研究为基于三相界面电化学反应构筑多尺度结构化仿生薄膜及其应用。

第一作者介绍

高振海教授

博士，吉林大学汽车工程学院院长，汽车仿真与控制国家重点实验室主任，兼任中国智能网联汽车产业技术创新联盟特聘专家、中国汽车工程学会汽车技术教育分会主任等职。主要研究方向是汽车智能驾驶与智能人机交互。先后获中国汽车工业科技进步一等奖、中国汽车工业优秀科技人才奖、全国优秀科技工作者等奖励。

自 1997 年攻读博士以来，高振海教授长期开展“驾驶员操控机理分析与骨肌运动控制建模”理论研究，以此为基础探索人性化智能驾驶设计理论、方法及技术。取得的主要科学技术成就是瞄准目前国际智能汽车研究领域驾乘人员普遍反映辅助驾驶与自动驾驶系统乘坐体验感不佳、与真实熟练驾驶员行为一致性差的国际难题，将智能汽车设计从经典自动控制与先进智能控制算法拓展到基于驾驶员操控行为模拟、骨肌动力学运动控制与驾乘体验感生物电测试评价的人性化智能驾驶设计上，创新构建了人-车- 路特性互适的“智能汽车感知-认知-决策-运控-线控五位一体化设计方法”，发明了基于实验心理学与人体生物电测试的智能汽车乘员体验感主客观评价方法与实验测试技术，实现了“驾乘人员体验感强、运动控制精准、道路适应性强”的智能汽车行驶品质控制。

近年来，高振海教授累计发表 SCI 检索论文36篇，EI检索论文56 篇；以第一发明人授权中国发明专利27项（11项实现转让），美国发明专利1项。作为课题负责人，相继承担国家与省部级科研项目6项，包括科技部重点研发计划1项、自然基金面上项目1项/联合基金1项、高等学校博士点基金1项及吉林省重点科技攻关项目1项；承担一汽、广汽等横向项目10项，包括1项与国内制动器龙头企业-浙江亚太-1500 万元经费的“汽车智能辅助驾驶开发”；承担北美福特 Ford University Research Program 国际合作项目1项，开发“智能被动安全座椅”。

2020 年，高振海教授作为第一完成人的研究成果“汽车智能主被动安全一体化设计关键技术及产业化”获中国汽车工业科技进步一等奖。

高振海教授学术能力得到了国内外肯定。2007 年入选教育部“霍英东基金”，2008 年入选教育部“新世纪优秀人才”，2016 年入选中国科协“全国优秀科技工作者”；目前兼任中国智能网联汽车产业技术创新联盟专家委员会专家、中国数字仿真联盟副理事长、SAE Vehicle Safety and Cyber Security 技术委员会共同主席、《Int. J. of Human Factors Modelling and Simulation》、《Automotive Innovation》及《中国机械工程》等国内外期刊编委；在国际学术会议上做大会主旨报告2次，特邀报告5次。

高振海教授积极参与中国汽车工程学会组织的各项行业工作，先后荣获“学会突出贡献奖”、“学会先进工作者”等荣誉。目前兼任中国汽车工程学会汽车技术教育分会主任、中国人才研究会汽车人才专业委员会副理事长等职。作为论坛主席，策划组织了 “2017年中国科协第 325 次青年科学家论坛” 及“2017-2020 年汽车人机交互论坛”等学术论坛；长期兼任“中国大学生方程式赛车规则委员会副主任委员”，积极组织推动全国高校大学生方程式赛车活动；积极配合学会开展工程教育专业认证与见习工程师资格认证工作，受聘担任车辆工程专业教育部工程教育认证专家。

饶顺博士生

2020年硕士毕业于首都师范大学化学系，硕士师从王勇教授。2020年至今于吉林大学汽车工程学院攻读博士学位，师从高振海教授。博士研究方向为车用动力电池安全性，主要开展电池智能材料开发研究，以第一作者（除导师外）身份在国际著名期刊Advanced Science、Applied Catalysis B: Environmental、Energy Fuels、iScience、Electrochimica Acta等学术刊物上发表SCI论文5篇，其中国际JCR一区论文4篇，top期刊论文4篇，Cell子刊论文1篇。

课题组介绍

依托吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，围绕动力电池安全性，课题组搭建动力电池智能材料与安全研究平台，具备智能材料开发、胶囊化抑制剂设计与制备、电池小型生产线、电池电化学性能测试、大型动力电池安全性测试等能力。目前实验室已成功制备新型微胶囊化阻燃剂，采用5%的新型阻燃剂可改善电解液安全性76%，同时改善电池电化学性能7.4%。课题组将围绕安全胶囊制备开展新能源汽车动力电池热失控自抑制理论与技术研究。我们热忱欢迎优秀的本科生和研究生来课题组学习深造，也邀请海内外相关领域的企业、科研机构及专家、学者来课题组访问与交流！