什么是固態(tài)電池，新型固態(tài)電池，充電速度更快嗎？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-27 09:42
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鋰離子電池，已廣泛應(yīng)用于各種智能硬件與移動(dòng)電子產(chǎn)品，例如智能手機(jī)，智能手表、平板電腦、電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)等。然而，鋰離子電池一般采用的都是可燃性的液體電解質(zhì)。在高溫條件下，這些電解液可能會(huì)引起燃燒，甚至發(fā)生爆炸，存在安全隱患。
為了解決鋰離子電池的安全隱患，除了改善鋰離子電池的自身設(shè)計(jì)（例如加入保護(hù)電路）之外，尋找替代品也是科學(xué)家們一直在研究的方法。固態(tài)電池成為了傳統(tǒng)鋰電池的一種候選的替代品，它的所有電極和電解質(zhì)都由固態(tài)物質(zhì)制成，即使被加熱到非常高的溫度，也不會(huì)著火。
但是，傳統(tǒng)的鋰離子電池采用的是液體電解質(zhì)，它通常與電極接觸得非常好。通過(guò)它們粗糙的表面，電極就像海綿一樣吸收液體，制造出較大的接觸面積?？墒?，兩種固體原則上無(wú)法無(wú)空隙地結(jié)合在一起。電極與電解質(zhì)之間的接觸電阻會(huì)相應(yīng)地增高。因此，在固態(tài)電池的開(kāi)發(fā)中，低電流被認(rèn)為是最大的障礙之一。這也是為什么固態(tài)電池充電需要花費(fèi)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間，它一般充滿電需要10到12個(gè)小時(shí)。
德國(guó)于利希研究中心能源與氣候研究所（IEK-9）的研究小組領(lǐng)頭人 Hermann Tempel 博士解釋道：“通過(guò)目前描述的設(shè)計(jì)理念，由于內(nèi)部固態(tài)接口的問(wèn)題，充放電電流只能非常小。這就是我們的設(shè)計(jì)理念起作用的地方，這個(gè)想法基于材料的有益組合。”
近日，德國(guó)于利希研究中心的科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)出一種新型固態(tài)電池，只需不到1個(gè)小時(shí)就可以再次充滿電。
Hermann Tempel 解釋道：“為了允許最大可能的電流通過(guò)層的邊界，我們采用非常相似的材料來(lái)制造所有的元件。陽(yáng)極、陰極與電解質(zhì)都通過(guò)不同的磷酸化合物制成，使得充電率高于3C（質(zhì)量比容量為50 mAh/g）。這比文獻(xiàn)中找到的其他沖充電率值要高10倍。”
固態(tài)電解質(zhì)作為穩(wěn)定的載體材料使用，磷酸鹽電極通過(guò)網(wǎng)印工藝應(yīng)用到電解質(zhì)的兩側(cè)。這項(xiàng)研究使用的材料價(jià)格合理，且相對(duì)易于加工。不同于傳統(tǒng)的鋰離子電池，新型固態(tài)電池幾乎不含有毒或有害物質(zhì)。
Yu 開(kāi)發(fā)并測(cè)試了這種電池，他的研究也成為了中國(guó)留學(xué)基金委在德國(guó)于利希研究中心能源與氣候研究所的資助項(xiàng)目的一部分。Yu 表示：“在初始測(cè)試中，這種新型電池經(jīng)過(guò)500次的充放電循環(huán)依然非常穩(wěn)定，并保持原始容量的84%。這里仍然有提升的空間。理論上說(shuō)，容量損耗甚至應(yīng)該可能低于1%。”
研究所的主任教授 Ruediger-A. Eichel 也深信這種新型電池設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。Eichel 表示：“能量密度已經(jīng)非常高，約為120 mAh/g，即使它仍然略低于如今的鋰離子電池。
”可以用金屬鋰制造陽(yáng)極，這使得電池的容量是使用石墨陽(yáng)極的鋰離子電池的兩到三倍。當(dāng)在陽(yáng)極表面上用鋰金屬鋰陽(yáng)極晶體充電電池時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，并且對(duì)于能夠生長(zhǎng)足夠大以分離隔板并在陰極上短路的尖刺針狀枝晶(正電極)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。 。這可能導(dǎo)致電池過(guò)熱甚至著火。
”可以用金屬鋰制造陽(yáng)極，這使得電池的容量是使用石墨陽(yáng)極的鋰離子電池的兩到三倍。當(dāng)在陽(yáng)極表面上用鋰金屬鋰陽(yáng)極晶體充電電池時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，并且對(duì)于能夠生長(zhǎng)足夠大以分離隔板并在陰極上短路的尖刺針狀枝晶(正電極)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。 。這可能導(dǎo)致電池過(guò)熱甚至著火。
固體聚合物電解質(zhì)
該項(xiàng)目由化學(xué)博士生岳高領(lǐng)導(dǎo)，增強(qiáng)的SEI生產(chǎn)電解質(zhì)是由聚合鋰鹽，氟化鋰納米粒子和氧化石墨烯片組成的反應(yīng)性聚合物復(fù)合物。這種固體電解質(zhì)的構(gòu)造具有這些材料的薄層，由賓夕法尼亞州立大學(xué)Evan Pugh大學(xué)化學(xué)教授Thomas E. Mallouk開(kāi)發(fā)。
“實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鋰界面需要大量的分子水平控制，”Mallouk說(shuō)。“悅和東海設(shè)計(jì)的聚合物能夠與鋰金屬表面形成爪狀鍵合。它以無(wú)源方式為鋰表面提供所需的能量，使其不會(huì)與電解質(zhì)中的分子發(fā)生反應(yīng)。納米片在復(fù)合材料中起到機(jī)械屏障的作用，防止樹(shù)枝狀晶體從鋰金屬中形成。“
使用化學(xué)和工程設(shè)計(jì)使該技術(shù)能夠以原子尺度控制鋰表面。“當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)電池時(shí)，我們不一定像化學(xué)家一樣思考，一直到分子水平，但這就是我們?cè)谶@里需要做的事情，”Mallouk說(shuō)。
反應(yīng)性聚合物還降低了重量和制造成本，進(jìn)一步增強(qiáng)了鋰金屬電池的未來(lái)。“通過(guò)更穩(wěn)定的SEI，可以將現(xiàn)有電池的能量密度提高一倍，同時(shí)使其壽命更長(zhǎng)，更安全，”王說(shuō)。
隨著全球大學(xué)，所有主要電池制造商以及豐田，寶馬和新成員Fisker等汽車(chē)公司的大量研究，固態(tài)鋰電池有望在2025年后的某個(gè)時(shí)候開(kāi)始大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究正在推進(jìn)知識(shí)基礎(chǔ)，最終將這種新電池技術(shù)推向主流。
