電池儲能：什么電池比傳統(tǒng)固態(tài)電池儲能高出十倍
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-25 16:10
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德國尤利希研究中心專家日前開發(fā)出一種新型固態(tài)電池，充電率比現(xiàn)有文獻(xiàn)記錄的固態(tài)電池高出十倍。新電池組件由磷酸鹽化合物制成，材料經(jīng)過化學(xué)和機(jī)械性能的最佳匹配，實(shí)現(xiàn)了電池持續(xù)良好的可通性。
固態(tài)電池因?qū)岵幻舾校缓魏慰赡苄孤┗蛑鸬囊后w部件，因此被認(rèn)為比傳統(tǒng)鋰離電池更安全、可靠和耐用。影響固態(tài)電池發(fā)展的關(guān)鍵因素之一是通過的電流低，這會導(dǎo)致電池充電時(shí)間較長。一般固態(tài)電池再次充滿需要約10—12個(gè)小時(shí)，而這款新型電池不到1個(gè)小時(shí)就能充足電。
項(xiàng)目負(fù)責(zé)人坦普爾博士介紹說，在傳統(tǒng)鋰離電池中使用液體電解質(zhì)，能非常好地接觸電極，具有紋理表面的電極像海綿一樣吸收液體，形成一個(gè)大的接觸區(qū)域;而兩種固體材料不能這樣相互結(jié)合，電極和電解質(zhì)之間的接觸電阻相應(yīng)更高，影響電流的通過。
為了使電流在固體層邊界處獲得最大的流動性，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的固態(tài)電池電極和電解質(zhì)采用非常類似的材料組分，由不同的磷酸鹽化合物制成。固體電解質(zhì)作為穩(wěn)定的載體材料，是在磷酸鹽電極兩側(cè)通過絲網(wǎng)印刷工藝制成，使用的材料價(jià)格合理并容易加工。新型固態(tài)電池基本上不含有毒或有害物質(zhì)。
坦普爾稱，他們設(shè)計(jì)的固態(tài)電池主要是基于材料的最佳組合，這項(xiàng)設(shè)計(jì)證明固態(tài)電池實(shí)現(xiàn)高充電率和快速充電是完全可行的，并因此獲得了專利。
參與項(xiàng)目的中國學(xué)者石城宇博士介紹說：“在最初的測試中，新電池的充放電循環(huán)相當(dāng)穩(wěn)定，經(jīng)過500次充放電仍能保持原始容量的84%。當(dāng)然，新電池還有改進(jìn)空間，理論上做到低于1%的損耗也是可行的。”
尤利希能源和氣候研究所所長艾歇爾教授表示：“新電池目前能量密度為每克約120毫安小時(shí)，已經(jīng)非常高了，即使它們?nèi)陨缘陀诋?dāng)今市場上的鋰離子電池。”
該固態(tài)電池除了可用于開發(fā)電動汽車，還能應(yīng)用到航空航天、智能住宅和醫(yī)療器械等眾多領(lǐng)域。
固態(tài)鋰電池的優(yōu)勢及目前存在的技術(shù)缺陷
相比于傳統(tǒng)的鋰離子電池，固態(tài)鋰電池具有顯著優(yōu)點(diǎn)：
(1)高安全性能：傳統(tǒng)鋰離子電池采用有機(jī)液體電解液，在過度充電、內(nèi)部短路等異常的情況下，電池容易發(fā)熱，造成電解液氣脹、自燃甚至爆炸，存在嚴(yán)重的安全隱患。而很多無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)材料不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題，聚合物固體電解質(zhì)相比于含有可燃溶劑的液態(tài)電解液，電池安全性也大幅提高。
(2)高能量密度：固態(tài)鋰電池負(fù)極可采用金屬鋰，電池能量密度有望達(dá)到300～400Wh/kg甚至更高;其電化學(xué)穩(wěn)定窗口可達(dá)5V以上，可匹配高電壓電極材料，進(jìn)一步提升質(zhì)量能量密度;沒有液態(tài)電解質(zhì)和隔膜，減輕電池重量，壓縮電池內(nèi)部空間，提高體積能量密度;安全性提高，電池外殼及冷卻系統(tǒng)模塊得到簡化，提高系統(tǒng)能量密度。
(3)循環(huán)壽命長：有望避免液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中持續(xù)形成和生長SEI膜的問題和鋰枝晶刺穿隔膜問題，大大提升金屬鋰電池的循環(huán)性和使用壽命。
(4)工作溫度范圍寬：固態(tài)鋰電池針刺和高溫穩(wěn)定性極好，如全部采用無機(jī)固體電解質(zhì)，最高操作溫度有望達(dá)到300℃，從而避免正負(fù)極材料在高溫下與電解液反應(yīng)可能導(dǎo)致的熱失控。
(5)生產(chǎn)效率提高：無需封裝液體，支持串行疊加排列和雙極機(jī)構(gòu)，可減少電池組中無效空間，提高生產(chǎn)效率。
(6)具備柔性優(yōu)勢：全固態(tài)鋰電池可以制備成薄膜電池和柔性電池，相對于柔性液態(tài)電解質(zhì)鋰電池，封裝更為容易、安全，未來可應(yīng)用于智能穿戴和可植入式醫(yī)療設(shè)備等。
盡管全固態(tài)鋰電池在多方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，但同時(shí)也有一些迫切需要解決的問題：
對于全固態(tài)電池的研發(fā)來說，解決上述問題的核心在于固態(tài)電解質(zhì)材料發(fā)展以及界面性能的調(diào)控與優(yōu)化。
固態(tài)電池因?qū)岵幻舾校缓魏慰赡苄孤┗蛑鸬囊后w部件，因此被認(rèn)為比傳統(tǒng)鋰離電池更安全、可靠和耐用。影響固態(tài)電池發(fā)展的關(guān)鍵因素之一是通過的電流低，這會導(dǎo)致電池充電時(shí)間較長。一般固態(tài)電池再次充滿需要約10—12個(gè)小時(shí)，而這款新型電池不到1個(gè)小時(shí)就能充足電。
項(xiàng)目負(fù)責(zé)人坦普爾博士介紹說，在傳統(tǒng)鋰離電池中使用液體電解質(zhì)，能非常好地接觸電極，具有紋理表面的電極像海綿一樣吸收液體，形成一個(gè)大的接觸區(qū)域;而兩種固體材料不能這樣相互結(jié)合，電極和電解質(zhì)之間的接觸電阻相應(yīng)更高，影響電流的通過。
為了使電流在固體層邊界處獲得最大的流動性，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的固態(tài)電池電極和電解質(zhì)采用非常類似的材料組分，由不同的磷酸鹽化合物制成。固體電解質(zhì)作為穩(wěn)定的載體材料，是在磷酸鹽電極兩側(cè)通過絲網(wǎng)印刷工藝制成，使用的材料價(jià)格合理并容易加工。新型固態(tài)電池基本上不含有毒或有害物質(zhì)。
坦普爾稱，他們設(shè)計(jì)的固態(tài)電池主要是基于材料的最佳組合，這項(xiàng)設(shè)計(jì)證明固態(tài)電池實(shí)現(xiàn)高充電率和快速充電是完全可行的，并因此獲得了專利。
參與項(xiàng)目的中國學(xué)者石城宇博士介紹說：“在最初的測試中，新電池的充放電循環(huán)相當(dāng)穩(wěn)定，經(jīng)過500次充放電仍能保持原始容量的84%。當(dāng)然，新電池還有改進(jìn)空間，理論上做到低于1%的損耗也是可行的。”
尤利希能源和氣候研究所所長艾歇爾教授表示：“新電池目前能量密度為每克約120毫安小時(shí)，已經(jīng)非常高了，即使它們?nèi)陨缘陀诋?dāng)今市場上的鋰離子電池。”
該固態(tài)電池除了可用于開發(fā)電動汽車，還能應(yīng)用到航空航天、智能住宅和醫(yī)療器械等眾多領(lǐng)域。
固態(tài)鋰電池的優(yōu)勢及目前存在的技術(shù)缺陷
相比于傳統(tǒng)的鋰離子電池，固態(tài)鋰電池具有顯著優(yōu)點(diǎn)：
(1)高安全性能：傳統(tǒng)鋰離子電池采用有機(jī)液體電解液，在過度充電、內(nèi)部短路等異常的情況下，電池容易發(fā)熱，造成電解液氣脹、自燃甚至爆炸，存在嚴(yán)重的安全隱患。而很多無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)材料不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題，聚合物固體電解質(zhì)相比于含有可燃溶劑的液態(tài)電解液，電池安全性也大幅提高。
(2)高能量密度：固態(tài)鋰電池負(fù)極可采用金屬鋰，電池能量密度有望達(dá)到300～400Wh/kg甚至更高;其電化學(xué)穩(wěn)定窗口可達(dá)5V以上，可匹配高電壓電極材料，進(jìn)一步提升質(zhì)量能量密度;沒有液態(tài)電解質(zhì)和隔膜，減輕電池重量，壓縮電池內(nèi)部空間，提高體積能量密度;安全性提高，電池外殼及冷卻系統(tǒng)模塊得到簡化，提高系統(tǒng)能量密度。
(3)循環(huán)壽命長：有望避免液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中持續(xù)形成和生長SEI膜的問題和鋰枝晶刺穿隔膜問題，大大提升金屬鋰電池的循環(huán)性和使用壽命。
(4)工作溫度范圍寬：固態(tài)鋰電池針刺和高溫穩(wěn)定性極好，如全部采用無機(jī)固體電解質(zhì)，最高操作溫度有望達(dá)到300℃，從而避免正負(fù)極材料在高溫下與電解液反應(yīng)可能導(dǎo)致的熱失控。
(5)生產(chǎn)效率提高：無需封裝液體，支持串行疊加排列和雙極機(jī)構(gòu)，可減少電池組中無效空間，提高生產(chǎn)效率。
(6)具備柔性優(yōu)勢：全固態(tài)鋰電池可以制備成薄膜電池和柔性電池，相對于柔性液態(tài)電解質(zhì)鋰電池，封裝更為容易、安全，未來可應(yīng)用于智能穿戴和可植入式醫(yī)療設(shè)備等。
盡管全固態(tài)鋰電池在多方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，但同時(shí)也有一些迫切需要解決的問題：
對于全固態(tài)電池的研發(fā)來說，解決上述問題的核心在于固態(tài)電解質(zhì)材料發(fā)展以及界面性能的調(diào)控與優(yōu)化。
