動(dòng)力鋰電池安全是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，電池安全工程師更是壓力巨大，不僅要細(xì)致入微的評(píng)估電池的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，還要上天入地、絞盡腦汁從化學(xué)體系、單體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等角度提高電池安全。黑暗中總會(huì)有一些亮光和奇思妙想，屢戰(zhàn)屢敗但屢敗屢戰(zhàn)，鍥而不舍！

電池包含四大主材：正極材料、負(fù)極材料、隔膜和電解液。每一大主材都有安全方面的一些考量和設(shè)計(jì)。目前常用的電解液是有機(jī)溶劑體系，這也是鋰離子電池容易起火爆炸的一大原因。以往在電解液端的安全設(shè)計(jì)上也僅僅使用了過充添加劑和阻燃添加劑，近些年來電解液方面的進(jìn)展很少。剪切增稠是流體學(xué)中很重要的概念，指剪切速率或者剪應(yīng)力新增到某一個(gè)數(shù)值時(shí)，液體中形成了新的結(jié)構(gòu)，引起了阻力的新增，導(dǎo)致液體的表觀粘度增大，同時(shí)伴隨著體積的脹大的現(xiàn)象。早在2013年，JieDing等人[1]就提出利用包含SiO2電解液的剪切增稠特性實(shí)現(xiàn)電池安全。但遺憾的是自此之后這方面的相關(guān)研究很少，僅有美國幾位老哥一直在鍥而不舍的研究[2-3]。

圖1.不同SiO2含量電解液粘度隨剪切力變化曲線。

文中所研究的剪切增稠電解液就是在常規(guī)的1.2MLiPF6EC:DMC=3:7電解液中添加SiO2得到，制備方法非常簡(jiǎn)單。但是SiO2種類和添加量是關(guān)鍵因素，要仔細(xì)研究。圖1所示是電解液中添加不同種類和濃度SiO2得到的粘度和剪切力應(yīng)變曲線。不難看出隨著剪切力的增大，電解液的粘度隨之新增，確實(shí)表現(xiàn)出剪切增稠特性。以下視頻可以看到剪切增稠電解液的剪切增稠效應(yīng)：

但值得注意的是，并不是所有的SiO2顆粒加入到電解液中都能產(chǎn)生剪切增稠的效果。如表1所示，當(dāng)SiO2顆粒在電解液中的高度散度(<0.01)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生剪切增稠效果，而SiO2顆粒在電解液中分散度較低時(shí)(>0.01)反倒會(huì)產(chǎn)生剪切稀化效果。因此，要制備剪切增稠電解液SiO2的種類和分散度是關(guān)鍵因素。

圖2.正常電解液和添加25%wtStober法SiO2剪切增稠電解液離子電導(dǎo)率隨溫度變化關(guān)系。

電解液最基本的功能是要保證電池正常的電化學(xué)性能。如圖2所示，添加25%wtStober法SiO2后電解液的離子電導(dǎo)率較正常電解液降低25%，作者認(rèn)為這是添加SiO2相當(dāng)于稀釋電解液所致。離子電導(dǎo)率是電解液的一項(xiàng)重要指標(biāo)，離子電導(dǎo)率太低會(huì)影響到電池的高倍率性能。為了彌補(bǔ)加入SiO2后電解液離子電導(dǎo)率的降低，作者認(rèn)為可向電解液中添加功能性高分子等

圖3.NMC333/石墨電池使用添加20%wtStober法SiO2剪切增稠電解液在24℃C/3放電曲線。內(nèi)插圖為循環(huán)結(jié)果。

從放電和循環(huán)結(jié)果看，使用20%wtStober法SiO2剪切增稠電解液的NMC333電池有著良好的電化學(xué)性能。

圖4.鋼球撞擊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證使用剪切增稠電解液電池安全性：(a)(b)將直徑1.27cm不銹鋼球放置在單層軟包電池上，隨后重1.923kg的黃銅鋼球從43cm高處掉落在不銹鋼球上；(c)使用普通常規(guī)電解液電池的鋼球撞擊結(jié)果；(d)使用剪切增稠電解液電池的鋼球撞擊結(jié)果。每組實(shí)驗(yàn)測(cè)試兩個(gè)電池。

使用剪切增稠電解液的重要目的是提升電池在收到外界力沖擊條件下的安全性，尤其是電動(dòng)汽車的碰撞安全。為了驗(yàn)證剪切增稠電解液對(duì)電池安全的效果，作者設(shè)計(jì)了鋼球撞擊實(shí)驗(yàn)。如圖4c-d所示，使用常規(guī)電解液的單層軟包電池在鋼球撞擊下由于顯著的內(nèi)短路電壓迅速降低，而使用剪切增稠電解液的電池在鋼球撞擊下僅出現(xiàn)電壓輕微波動(dòng)。以上結(jié)果表明剪切增稠電解液確實(shí)能在一定程度上提高電池在外界力作用的安全性。但要指出的是，正如其名所表達(dá)的，剪切增稠電解液僅對(duì)外界高速?zèng)_擊作用下才會(huì)有效果，對(duì)加熱、針刺、充放電等條件下的失效沒有保護(hù)作用。