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(jī)液態(tài)電解液，有望從根本上解決電池安全性問題，是電動(dòng)汽車和規(guī)模化儲能的理想化學(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(fù)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(yùn)動(dòng)員在正負(fù)兩極間來回奔跑，在運(yùn)動(dòng)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(jì)，今年上半年電動(dòng)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(jī)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(rèn)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(rèn)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(jī)液態(tài)電解液，有望從根本上解決電池安全性問題，是電動(dòng)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(dòng)車輛國家工程實(shí)驗(yàn)室、中國電工技術(shù)學(xué)會電動(dòng)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(jìn)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(shí)，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(jī)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(fù)極間采用少量液態(tài)電解液進(jìn)行界面潤濕，測試結(jié)果可以看到，首次放電比容量能夠達(dá)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(jìn)一步解決電池的安全問題，他們把這個(gè)界面凝膠化，以保證里面沒有流動(dòng)態(tài)的電解液，通過聚合物進(jìn)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(tuán)隊(duì)，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(fù)荷作負(fù)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(diǎn)少，不需要管理系統(tǒng)，在組裝電池組時(shí)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。