固態(tài)電池技術(shù)新突破，能延長電池壽命，提升充電能力？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-27 10:07
點擊量：次
蓋世汽車訊 人們對電池的要求并不高：在需要的時間內(nèi)盡可能長時間地提供能量，充電速度快，不會突然起火，但是2016年的一系列手機電池起火事件動搖了消費者對鋰離子電池的信心。自上世紀80年代推出以來，鋰離子電池曾幫助引領(lǐng)現(xiàn)代便攜式電子產(chǎn)品的發(fā)展，但是一直受到安全問題的困擾。隨著人們對電動汽車興趣越來越大，研究人員和業(yè)內(nèi)人士都在尋找改進充電電池的技術(shù)，此類技術(shù)需要能夠安全可靠地為汽車、自動駕駛汽車、機器人和其他下一代設(shè)備提供動力。
據(jù)外媒報道，美國康奈爾大學(xué)（Cornell University）的一項新研究改進了固態(tài)電池的設(shè)計。固態(tài)電池本質(zhì)上比現(xiàn)有的鋰離子電池更安全，能量密度也更高，鋰離子電池依賴易燃液體電解質(zhì)將存儲在分子鍵中的化學(xué)能量快速轉(zhuǎn)移至電能中?？的螤柎髮W(xué)研究人員將液體電解質(zhì)轉(zhuǎn)化為電化學(xué)電池內(nèi)部的固體聚合物，利用了液體和固體的特性以克服當(dāng)前影響電池設(shè)計的關(guān)鍵限制。
該研究的博士后研究員兼首席作者Qing Zhao表示：“可以想象一下一杯裝滿冰塊的玻璃杯，有些冰塊會接觸到玻璃杯，但是也有縫隙。但是如果將玻璃杯裝滿水并且冰凍起來，界面就會被完全覆蓋，玻璃杯內(nèi)的冰塊與水之間就可以建立起牢固的聯(lián)系。在電池中利用同樣的概念就可以促進離子在電池電極固體表面向電解質(zhì)高速率轉(zhuǎn)移，而不需要可燃液體。”
該方案的關(guān)鍵在于引入特殊分子，在不損害電池其他功能的情況下，在電化學(xué)電池內(nèi)引發(fā)聚合。如果電解質(zhì)是環(huán)醚，可設(shè)計引發(fā)劑，讓其撕裂環(huán)，從而產(chǎn)生結(jié)合在一起的反應(yīng)性單體鏈，以產(chǎn)生與醚的化學(xué)性質(zhì)基本相同的長鏈狀分子。此類堅固的聚合物在金屬界面處保持了緊密連接，猶如玻璃杯中的冰塊。
固態(tài)電解質(zhì)除了有助于提高電池的安全性外，還有助于讓下一代電池能夠利用鋰和鋁等金屬作為陽極，與當(dāng)今最先進電池技術(shù)相比，可實現(xiàn)更大的能量存儲。在此種情況下，固態(tài)電解質(zhì)可以防止金屬形成樹突，從而導(dǎo)致電池短路、過熱和故障。盡管固態(tài)電池優(yōu)勢明顯，但是大規(guī)模量產(chǎn)遭受了阻礙。制造成本高，以前的設(shè)計導(dǎo)致的界面性能差，都造成了重大的技術(shù)障礙，此外，固態(tài)系統(tǒng)還能夠穩(wěn)定電池?zé)嶙兓?，從而免去電池冷卻的必要。
據(jù)研究人員所說，生產(chǎn)新型聚合物電解質(zhì)的現(xiàn)場技術(shù)有望延長高能量密度可充電金屬電池的循環(huán)壽命，提升充電能力。
全固態(tài)鋰離子電池采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)有機液態(tài)電解液，有望從根本上解決電池安全性問題，是電動汽車和規(guī)?；瘍δ艿睦硐牖瘜W(xué)電源。
傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池，被科學(xué)家們喻為“搖椅式電池”，搖椅兩端為電池的正負兩極，中間為電解質(zhì)（液態(tài)）。其中的鋰離子如同優(yōu)秀的運動員在正負兩極間來回奔跑，在運動過程中即完成電池的充放電過程。
然而，這種看似有趣的結(jié)構(gòu)卻存在隱患。據(jù)不完全統(tǒng)計，今年上半年電動汽車發(fā)生過10起燃燒事故。某消防單位對此總結(jié)，新能源汽車發(fā)生燃燒最為常見的場景表現(xiàn)為充電過程中的燃燒，此外，電池在行駛或停駛過程中也會產(chǎn)生燃燒。
安全性更高，可繼承液態(tài)鋰電池“江湖地位”
液態(tài)鋰電池為何會頻發(fā)爆炸，有專家分析，原因在于傳統(tǒng)鋰電池在大電流下工作有可能出現(xiàn)鋰枝晶，從而刺破隔膜導(dǎo)致短路破壞；電解液為有機液體，在高溫下會加劇發(fā)生副反應(yīng)、氧化分解、產(chǎn)生氣體、發(fā)生燃燒的傾向。
而近年來，學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界認為采用固態(tài)電池在安全性上相對有所保障，視其可以繼承液態(tài)鋰電池的“江湖地位”。
“儲能的春天已經(jīng)到來，儲能行業(yè)開始萌芽開花，在各類儲能技術(shù)中，電池儲能最受關(guān)注，也是發(fā)展最快的儲能技術(shù)方向。全固態(tài)鋰離子電池是規(guī)?；瘍δ芾硐氲幕瘜W(xué)電源。”中國科學(xué)院電工研究所儲能技術(shù)研究組陳永翀教授表示。
專家認為，全固態(tài)鋰離子電池采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)有機液態(tài)電解液，有望從根本上解決電池安全性問題，是電動汽車和規(guī)?；瘍δ艿睦硐牖瘜W(xué)電源。
北京理工大學(xué)電動車輛國家工程實驗室、中國電工技術(shù)學(xué)會電動車輛專業(yè)委員會委員孫立清曾表示，相較于傳統(tǒng)鋰電池，固態(tài)鋰電池的差異在于電解質(zhì)固態(tài)化，理論上存在一定的優(yōu)勢。
由于固態(tài)鋰電池采用鋰、鈉制成的玻璃化合物為傳導(dǎo)物質(zhì)，取代以往鋰電池的電解液，大大提升了鋰電池的能量密度。采用固態(tài)電解質(zhì)，可以阻止電池中的一些成分燃燒。
專家介紹，固態(tài)鋰電池的密度及結(jié)構(gòu)可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導(dǎo)更大的電流，進而提升電池容量。因此，在同樣的電量下，固態(tài)電池體積將變得更小。而且，由于固態(tài)電池中沒有電解液，封存將會變得更加容易，在汽車等大型設(shè)備上使用時，也不需要再額外增加冷卻管、電子控件等，不僅節(jié)約了成本，還能有效減輕重量。
開發(fā)還在路上，一些關(guān)鍵問題有待突破
將固態(tài)電解質(zhì)引入鋰電池，是為了突破目前有機電解液存在的種種限制，提升電池的能量密度、功率、溫度范圍和安全性。與會專家提出，真正實現(xiàn)這些目標(biāo)，仍需首先解決現(xiàn)有電解質(zhì)材料本身以及與電極界面存在的問題。
中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所副研究員靳俊介紹說，近幾年他們實驗室主要開發(fā)采用固態(tài)電解質(zhì)的鋰硫電池體系。用固態(tài)電解質(zhì)修飾金屬鋰后，可以提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。他們還提出一個雙電解質(zhì)體系鋰硫電池概念，采用具有鋰離子導(dǎo)電特性LAGP體系的固體電解質(zhì)，在正負極間采用少量液態(tài)電解液進行界面潤濕，測試結(jié)果可以看到，首次放電比容量能夠達到理論容量80％以上，尤其在充放電效率方面，基本上接近100％，完全沒有液態(tài)鋰硫電池中存在的穿梭效應(yīng)問題。為了進一步解決電池的安全問題，他們把這個界面凝膠化，以保證里面沒有流動態(tài)的電解液，通過聚合物進行修飾，還可以緩沖循環(huán)過程中的體積效應(yīng)。
清華大學(xué)材料學(xué)院副教授李亮亮團隊，正在研制一種氧化物固態(tài)電解質(zhì)及固態(tài)鋰電池的原型，采用三元正極，固態(tài)電解質(zhì)膜和石墨負荷作負極，電池能量密度以及安全性非常好，上千次循環(huán)后容量保持81％。
合肥博澳國興能源技術(shù)有限公司鄭明森博士指出，目前研發(fā)的疊片式大容量固態(tài)聚合物鋰離子電池，結(jié)構(gòu)相對簡單、節(jié)點少，不需要管理系統(tǒng)，在組裝電池組時只需串聯(lián)而非并聯(lián)。采用一些固態(tài)的電解液替代傳統(tǒng)的液態(tài)電解液，可以解決電池的漏液和碰撞后燃燒問題，提高了電池的安全性。
當(dāng)然，固態(tài)電池開發(fā)還在路上，仍存在一些關(guān)鍵問題有待突破。專家表示，固體電池應(yīng)用于儲能領(lǐng)域需考慮到長壽命、安全性等因素。另外，還需解決長期循環(huán)過程中的體積效應(yīng)、穩(wěn)定性和界面相容性等問題。
