如何解決電池安全性能？全固態(tài)鋰電池應(yīng)運(yùn)而生
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-05-31 10:18
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鋰離子電池是當(dāng)今電池世界的霸主，隨著對(duì)能量密度越來(lái)越高的要求，采用金屬鋰負(fù)極成為大勢(shì)所趨，而金屬鋰負(fù)極進(jìn)一步增加了電池安全風(fēng)險(xiǎn)。解決電池安全性能的重要任務(wù)，就這樣落到了全固態(tài)鋰電池的肩上。
為了獲得與基于液體電解質(zhì)的鋰電池相當(dāng)?shù)哪芰棵芏?，固體電解質(zhì)需要具有高離子電導(dǎo)率、力學(xué)強(qiáng)度好、不可燃、化學(xué)穩(wěn)定性等特性。然而，用于液體電解質(zhì)的商業(yè)聚合物電解質(zhì)隔板厚度僅有10μm左右，如果采用如此薄的固體電解質(zhì)勢(shì)必會(huì)極大地增加電池短路的風(fēng)險(xiǎn)。
有鑒于此，斯坦福大學(xué)崔屹課題組設(shè)計(jì)了一種全新的不足10μm的超薄、柔性、聚合物復(fù)合固體電解質(zhì)，可以確保全固態(tài)鋰離子電池的安全性能。
要點(diǎn)1：設(shè)計(jì)理念
復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)必須由堅(jiān)固、不易燃的主體制成，采用具有垂直排列的納米通道和鋰離子導(dǎo)電SPE填料。高模量主體防止枝晶滲透，而對(duì)齊的通道增強(qiáng)SPE填料的離子導(dǎo)電性。復(fù)合電解質(zhì)的超薄和聚合物-聚合物性能使得全電池具有極大的柔韌性，低電解質(zhì)電阻和潛在的高能量密度。研究團(tuán)隊(duì)采用高模量的納米多孔聚酰亞胺（PI）主體和PEO/鋰雙（三氟甲磺酰基）酰亞胺（LiTFSI）聚合物電解質(zhì)進(jìn)行概念驗(yàn)證，這種PI/PEO/LiTFSI固體電解質(zhì)中，超薄多孔PI基質(zhì)厚度僅8.6μm。
要點(diǎn)2：優(yōu)異性能
雖然商業(yè)鋰離子電池的理論能量密度接近480Whkg-1，但是當(dāng)在計(jì)算中考慮金屬殼體，正負(fù)極集流器時(shí)，理論值減少一半。如果進(jìn)一步考慮隔板和液體電解質(zhì)時(shí)，能量密度理論值還要進(jìn)一步降低。然而，當(dāng)使用PI/PEO/LiTFSI電解質(zhì)（246Whkg-1）時(shí)，全固態(tài)電池的能量密度與液體電解質(zhì)電池的能量密度相當(dāng)，并且遠(yuǎn)高于其他的電解質(zhì)電池。
全固態(tài)電池中超薄超輕的PI/PEO/LiTFSI（1.12mgcm-2）具有與隔膜/液體電解質(zhì)（1mgcm-2）相似的面積密度，確保其優(yōu)于其他固體電解質(zhì)系統(tǒng)。由于全固態(tài)LIB的電池外殼可能比液體電解質(zhì)LIB更簡(jiǎn)單，所以固體聚合物-聚合物復(fù)合材料LIB的能量密度可能會(huì)更高。進(jìn)一步，通過(guò)高容量鋰化學(xué)，例如硫和金屬鋰，可以實(shí)現(xiàn)更高的能量密度。
為了獲得與基于液體電解質(zhì)的鋰電池相當(dāng)?shù)哪芰棵芏?，固體電解質(zhì)需要具有高離子電導(dǎo)率、力學(xué)強(qiáng)度好、不可燃、化學(xué)穩(wěn)定性等特性。然而，用于液體電解質(zhì)的商業(yè)聚合物電解質(zhì)隔板厚度僅有10μm左右，如果采用如此薄的固體電解質(zhì)勢(shì)必會(huì)極大地增加電池短路的風(fēng)險(xiǎn)。
有鑒于此，斯坦福大學(xué)崔屹課題組設(shè)計(jì)了一種全新的不足10μm的超薄、柔性、聚合物復(fù)合固體電解質(zhì)，可以確保全固態(tài)鋰離子電池的安全性能。
要點(diǎn)1：設(shè)計(jì)理念
復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)必須由堅(jiān)固、不易燃的主體制成，采用具有垂直排列的納米通道和鋰離子導(dǎo)電SPE填料。高模量主體防止枝晶滲透，而對(duì)齊的通道增強(qiáng)SPE填料的離子導(dǎo)電性。復(fù)合電解質(zhì)的超薄和聚合物-聚合物性能使得全電池具有極大的柔韌性，低電解質(zhì)電阻和潛在的高能量密度。研究團(tuán)隊(duì)采用高模量的納米多孔聚酰亞胺（PI）主體和PEO/鋰雙（三氟甲磺酰基）酰亞胺（LiTFSI）聚合物電解質(zhì)進(jìn)行概念驗(yàn)證，這種PI/PEO/LiTFSI固體電解質(zhì)中，超薄多孔PI基質(zhì)厚度僅8.6μm。
要點(diǎn)2：優(yōu)異性能
雖然商業(yè)鋰離子電池的理論能量密度接近480Whkg-1，但是當(dāng)在計(jì)算中考慮金屬殼體，正負(fù)極集流器時(shí)，理論值減少一半。如果進(jìn)一步考慮隔板和液體電解質(zhì)時(shí)，能量密度理論值還要進(jìn)一步降低。然而，當(dāng)使用PI/PEO/LiTFSI電解質(zhì)（246Whkg-1）時(shí)，全固態(tài)電池的能量密度與液體電解質(zhì)電池的能量密度相當(dāng)，并且遠(yuǎn)高于其他的電解質(zhì)電池。
全固態(tài)電池中超薄超輕的PI/PEO/LiTFSI（1.12mgcm-2）具有與隔膜/液體電解質(zhì)（1mgcm-2）相似的面積密度，確保其優(yōu)于其他固體電解質(zhì)系統(tǒng)。由于全固態(tài)LIB的電池外殼可能比液體電解質(zhì)LIB更簡(jiǎn)單，所以固體聚合物-聚合物復(fù)合材料LIB的能量密度可能會(huì)更高。進(jìn)一步，通過(guò)高容量鋰化學(xué)，例如硫和金屬鋰，可以實(shí)現(xiàn)更高的能量密度。
