CAT蓄电池提升锂离子电池安全性：APP@UF微胶囊电解质添加剂的合成与性能评估
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-03-31 17:15:50 点击： 次
引言
随着能源技术的进步，锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命和快速充放电能力，已在电子设备、电动汽车及储能系统中得到广泛应用。锂离子电池应用范围的持续扩展及其续航能力的提升，促使能量密度不断提高。然而电池能量密度的增加在提升性能的同时，也带来了安全隐患，对电池本征安全性提出了更高要求（Yuan and Liu, 2020）。在实际应用中，锂离子电池可能遭遇多种形式的滥用情况，包括机械滥用（Xiao等，2023；Chai等，2025）、电气滥用（Zhang等，2021）以及热滥用（Kondo等，2020）。这些外部刺激极易扳机电池内部的热失控反应，导致温度急剧上升、燃烧甚至爆炸（Russo和Ubaldi，2025；Sun等，2025）。热失控过程中的燃烧温度与升温速率极难控制，且伴随大量有毒有害烟雾的释放（Peschel等，2025），严重威胁人身安全并增加灭火复杂性（Song等，2022；Hu等，2024；Comanescu，2025）。
优化热管理系统、改进材料体系（Huang等，2025）以及添加功能性添加剂等方法可提升电池安全性。其中，向电解液中引入阻燃剂被视为一种简便有效的策略（van Ree，2020）。这类添加剂通常在热失控初期开始发挥作用，通过释放灭火气体稀释可燃气体浓度，同时形成保护性界面层，从而有效阻止电池温度上升与热量扩散，降低电池失控风险（Zhang, J. Q.等，2024）。磷系阻燃剂因添加量少、适用性广且阻燃性能优异（Gao等，2022），近年来受到广泛关注。然而，将磷系阻燃剂直接引入电解液体系虽能显著提升电池的热稳定性，却往往会对其离子电导率、界面稳定性及循环寿命产生负面影响，从而降低电池的电化学性能。为攻克这一难题，研究者尝试通过物理与化学手段对阻燃剂进行改性，包括表面功能化（Sun et al., 2020）、尺寸调控（如超细颗粒化）以及日益普及的微胶囊化技术。该技术采用聚合物或无机材料包覆阻燃剂形成核壳结构，既可有效抑制其在正常工作条件下与电解液的副反应，又能在高温条件下实现可控释放，充分发挥其阻燃效能。该策略不仅有助于降低阻燃剂对环境和电池本身的干扰，还能显著提升其在高性能锂离子电池中的适用性与安全性（Deng et al., 2020; Gao et al., 2020; Yan et al., 2021）。
聚磷酸铵(APP)是一种高性能无卤阻燃剂，因其优异的热稳定性、抑烟性能和环境友好特性，被广泛应用于聚合物、涂料及建筑材料领域(Ou等, 2024; Tu等, 2024)。APP的阻燃机理主要依赖于气相与凝聚相协同抑火机制。在气相中，APP分解释放不可燃气体(如NH3、H2O、P2），稀释可燃性分解产物并抑制自由基链式反应。在凝聚相中，其热分解产物能促进材料表面形成致密炭层，有效阻隔热能和氧气的传递，从而实现对热分解与燃烧的双重抑制。此外，APP呈现多级分解特性，使其能在材料受热过程中持续发挥阻燃作用，成为热失控防护的理想功能添加剂（Ma等，2022a；Yu等，2023；Chu等，2024；Zheng等，2025）。尽管聚磷酸铵（APP）在多种材料体系中展现出良好的阻燃效果，但直接将其掺入锂离子电池电解液可能导致分散性差、电解液相容性不足，并可能对电化学界面产生干扰。因此，为提高其在电池体系中的适用性与稳定性，本研究采用脲醛树脂对APP进行微胶囊化处理。选择脲醛树脂作为壁材基于以下考量：（a）含氮气体（如NH5和CO3尿素-甲醛树脂分解过程中产生的氨基甲酸酯和碳质残留物可促进高温下的碳化行为，从而增强阻燃层的隔热与隔氧性能，当与聚磷酸铵(APP)复配时能协同提升阻燃效果(Zotiadis et al., 2021; Zhang et al., 2024, Zhang et al., 2024)。(b) APP具有良好水溶性，直接添加至电解液可能导致体系不稳定。尿素-甲醛外壳可均匀包覆APP表面，形成连续致密的阻隔层，有效防止APP在电解液中溶解或迁移(Chu et al., 2022)。(c) 相较于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或二氧化硅(SiO2在温和条件下制备的脲醛树脂不仅原料成本低廉，且易于实现大规模工业生产，具有显著的成本效益与工艺可控性优势（Gumus等，2024）。核壳结构微胶囊阻燃剂的构建不仅能在常温下阻隔APP与电解质的直接接触，避免其影响电池正常工作时离子迁移与界面反应，还能在热失控条件下响应性释放APP，实现快速抑制火焰的功能。2), urea-formaldehyde resin is prepared under mild conditions, utilizes inexpensive raw materials, and is conducive to large-scale industrial production, offering superior cost-effectiveness and process controllability (Gumus et al., 2024). The formation of core-shell structured microcapsule flame retardants not only isolates APP from direct contact with the electrolyte at room temperature, preventing it from affecting ion migration and interfacial reactions during normal battery operation, but also enables the responsive release of APP under thermal runaway conditions, exerting its function of rapidly suppressing flames.
在实验部分，本研究将合成的APP@UF作为电解质添加剂引入锂离子电池体系。通过热分析评估了微胶囊在高温条件下的阻燃性能，包括火焰蔓延抑制与温升控制，同时点火测试模拟了热失控的初期阶段。为确保阻燃剂的安全增强措施不影响电化学性能，对电池的初始容量、倍率性能和循环寿命进行了系统评估与对比分析。实验结果表明，所制备的APP@UF微胶囊添加剂在有效抑制热失控初期、快速响应及高温条件下发挥阻燃作用方面展现出显著优势。此外，与传统添加剂相比，微胶囊结构对电池电化学性能的影响较小，在保持优异循环稳定性和容量保持率的同时实现了安全性与性能的平衡，从而为开发高安全性锂离子电池电解液提供了新的技术路径和材料选择方案。
