電池安全：傳統(tǒng)鋰離子電池均采用液態(tài)電解質(zhì)安全性能如何？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-25 17:38
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傳統(tǒng)鋰離子電池均采用液態(tài)電解質(zhì)，而液態(tài)電解質(zhì)本身的性質(zhì)直接影響到其安全性能。固態(tài)鋰電池能夠解決一部分安全問題。但由于固態(tài)顆粒間的電導(dǎo)率低，固態(tài)電池中的電導(dǎo)率一直不理想，直到關(guān)于運用MOF作為框架主體，鋰離子液體作為離子傳輸客體的類固態(tài)電解質(zhì)(MOF-IL)的研究報道，給固態(tài)電池開辟了新的研究視角。近日，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授團隊基于這一視角，進一步提高了該類固態(tài)電解質(zhì)的安全性能及其離子傳輸性能。研究成果近期發(fā)表于ChemicalCommunications，題為“Enhancedlithiumdendritesuppressingcapabilityenabledbyasolid-likeelectrolytewithdifferent-sizednanoparticles”（Chem.Commun.,2018,54,13060-13063;natureindex期刊DOI:10.1039/c8cc07476c），并被作為封面文章highlight推薦。
團隊研究了金屬鋰電池中顆粒大小對MOF-IL離子導(dǎo)體性能的影響。研究者將兩種不同顆粒大小的離子導(dǎo)體組合使用，相比于單一組分的離子導(dǎo)體，混合尺寸能有效減小電解質(zhì)顆粒間的空隙，增加電解質(zhì)顆粒間和電解質(zhì)與鋰金屬表面的接觸點，使鋰沉積更加均勻，由此對鋰枝晶生長的阻礙能力得到改善。并且由于導(dǎo)離子通道增加，電解質(zhì)的導(dǎo)電性也得到一定的提高。該類固態(tài)電解質(zhì)與商業(yè)化的正極材料LiFePO4、LiCoO2和負(fù)極材料鋰金屬組裝成電池還表現(xiàn)出可觀的倍率性能和循環(huán)性能，LiCoO2|electrolyte|Li電池初始容量為129mAhg-1，在100圈后有94.6%的保持率；LiFePO4|electrolyte|Li電池初始容量為137mAhg-1，在100圈后有94.8%的保持率。
該工作在新材料學(xué)院潘鋒教授和楊盧奕博士共同指導(dǎo)下，由2017級碩士研究生王可完成。以上工作得到了國家材料基因組重大專項(2016YFB0700600)、國家自然科學(xué)基金(Nos.21603007)、深圳市科技創(chuàng)新委(Nos.JCYJ20160531141048950andJCYJ20151015162256516)的資助支持。
由于固態(tài)電池里的材料都以固態(tài)形式存在，因此固態(tài)電池的安全性相對較高，不易出現(xiàn)電池漏液、電解質(zhì)揮發(fā)、高溫下發(fā)生副反應(yīng)等問題，使用壽命也因此提升。
傳統(tǒng)鋰電池中隔膜和電解液加起來占據(jù)了電池近40%的體積和25%的重量，而使用固態(tài)電解質(zhì)自然就可以減小體積和質(zhì)量。
此外，固態(tài)電池的能量密度為傳統(tǒng)鋰電池的2.5-3倍，將其用于電動汽車動力驅(qū)動，可以大大提升續(xù)航里程。
但就目前的技術(shù)而言，固態(tài)電池仍面臨固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率偏低的技術(shù)難題（固態(tài)電解質(zhì)與電極材料之間的界面是固體接觸固體狀態(tài)，有效接觸弱，影響離子傳輸）。這一難題會導(dǎo)致充電過程能量損失，快充速度過慢。想要攻克這一難題，還需要投入大量的資金進行研究，這也間接提升了固態(tài)電池的制造成本。
不過，已經(jīng)有裝載固態(tài)電池的電動汽車問世了，你覺得哪家的產(chǎn)品最值得期待？
豐田：全固態(tài)電池電動汽車2022年上市
說起做技術(shù)，日本人一直保持全球領(lǐng)先地位。
在動力電池領(lǐng)域，豐田正在研發(fā)由全固態(tài)電池提供動力的電動汽車。據(jù)了解，全固態(tài)電池電動汽車不僅可以增加續(xù)航里程還可將充電時間縮短至幾分鐘。根據(jù)豐田的計劃，這款電動汽車將于2022年上市銷售。
豐田官方發(fā)言人KayoDoi表示，豐田希望能在2022年前后將全固態(tài)電池商業(yè)化，以此來彌補豐田與日產(chǎn)、特斯拉等電動汽車先導(dǎo)企業(yè)之間的差距。
菲斯克：充電一分鐘續(xù)航800公里
菲斯克（Fisker）2018年年初發(fā)布了搭載石墨烯固態(tài)電池的電動超跑Emotion，據(jù)稱該款電動汽車可實現(xiàn)“充電一分鐘續(xù)航800公里”。
菲斯克一直在做固態(tài)電池方面的研究，研究方向在于如何使動力電池的單次充電續(xù)航里程超過800公里，且充電速度快于傳統(tǒng)汽車加油的速度。據(jù)了解，菲斯克預(yù)計此項研究將于2023年正式應(yīng)用到電動汽車上。
動力方面，新車計劃搭載一套145kWh的電池組，綜合續(xù)航里程超過400英里（約644公里），最高時速可達161英里/小時（約合259公里/小時）。快充模式下，9分鐘可達到160公里的續(xù)航里程。
天際：固態(tài)電池樣車亮相展示
2019年年初，天際展出國內(nèi)首臺固態(tài)電池電動汽車ME7。天際董事長兼CEO張海亮透露，天際固態(tài)電池將于2021年批量生產(chǎn)并裝車上市。屆時，天際將成為中國首家采用批產(chǎn)固態(tài)電池技術(shù)的主機廠，天際ME7也將成為國內(nèi)首款以固態(tài)電池作為動力來源的新能源車。
根據(jù)規(guī)劃，2019年天際將推出能量密度大幅增加的新一代固態(tài)電池產(chǎn)品，顯著提升循環(huán)壽命、電導(dǎo)率、批量工藝成熟度等關(guān)鍵指標(biāo)。張海亮表示，預(yù)計到2021年，天際固態(tài)電池電芯能量密度可達300Wh/kg以上，PACK能量密度達到220Wh/kg，達到初步商業(yè)化的技術(shù)狀態(tài)。
團隊研究了金屬鋰電池中顆粒大小對MOF-IL離子導(dǎo)體性能的影響。研究者將兩種不同顆粒大小的離子導(dǎo)體組合使用，相比于單一組分的離子導(dǎo)體，混合尺寸能有效減小電解質(zhì)顆粒間的空隙，增加電解質(zhì)顆粒間和電解質(zhì)與鋰金屬表面的接觸點，使鋰沉積更加均勻，由此對鋰枝晶生長的阻礙能力得到改善。并且由于導(dǎo)離子通道增加，電解質(zhì)的導(dǎo)電性也得到一定的提高。該類固態(tài)電解質(zhì)與商業(yè)化的正極材料LiFePO4、LiCoO2和負(fù)極材料鋰金屬組裝成電池還表現(xiàn)出可觀的倍率性能和循環(huán)性能，LiCoO2|electrolyte|Li電池初始容量為129mAhg-1，在100圈后有94.6%的保持率；LiFePO4|electrolyte|Li電池初始容量為137mAhg-1，在100圈后有94.8%的保持率。
該工作在新材料學(xué)院潘鋒教授和楊盧奕博士共同指導(dǎo)下，由2017級碩士研究生王可完成。以上工作得到了國家材料基因組重大專項(2016YFB0700600)、國家自然科學(xué)基金(Nos.21603007)、深圳市科技創(chuàng)新委(Nos.JCYJ20160531141048950andJCYJ20151015162256516)的資助支持。
由于固態(tài)電池里的材料都以固態(tài)形式存在，因此固態(tài)電池的安全性相對較高，不易出現(xiàn)電池漏液、電解質(zhì)揮發(fā)、高溫下發(fā)生副反應(yīng)等問題，使用壽命也因此提升。
傳統(tǒng)鋰電池中隔膜和電解液加起來占據(jù)了電池近40%的體積和25%的重量，而使用固態(tài)電解質(zhì)自然就可以減小體積和質(zhì)量。
此外，固態(tài)電池的能量密度為傳統(tǒng)鋰電池的2.5-3倍，將其用于電動汽車動力驅(qū)動，可以大大提升續(xù)航里程。
但就目前的技術(shù)而言，固態(tài)電池仍面臨固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率偏低的技術(shù)難題（固態(tài)電解質(zhì)與電極材料之間的界面是固體接觸固體狀態(tài)，有效接觸弱，影響離子傳輸）。這一難題會導(dǎo)致充電過程能量損失，快充速度過慢。想要攻克這一難題，還需要投入大量的資金進行研究，這也間接提升了固態(tài)電池的制造成本。
不過，已經(jīng)有裝載固態(tài)電池的電動汽車問世了，你覺得哪家的產(chǎn)品最值得期待？
豐田：全固態(tài)電池電動汽車2022年上市
說起做技術(shù)，日本人一直保持全球領(lǐng)先地位。
在動力電池領(lǐng)域，豐田正在研發(fā)由全固態(tài)電池提供動力的電動汽車。據(jù)了解，全固態(tài)電池電動汽車不僅可以增加續(xù)航里程還可將充電時間縮短至幾分鐘。根據(jù)豐田的計劃，這款電動汽車將于2022年上市銷售。
豐田官方發(fā)言人KayoDoi表示，豐田希望能在2022年前后將全固態(tài)電池商業(yè)化，以此來彌補豐田與日產(chǎn)、特斯拉等電動汽車先導(dǎo)企業(yè)之間的差距。
菲斯克：充電一分鐘續(xù)航800公里
菲斯克（Fisker）2018年年初發(fā)布了搭載石墨烯固態(tài)電池的電動超跑Emotion，據(jù)稱該款電動汽車可實現(xiàn)“充電一分鐘續(xù)航800公里”。
菲斯克一直在做固態(tài)電池方面的研究，研究方向在于如何使動力電池的單次充電續(xù)航里程超過800公里，且充電速度快于傳統(tǒng)汽車加油的速度。據(jù)了解，菲斯克預(yù)計此項研究將于2023年正式應(yīng)用到電動汽車上。
動力方面，新車計劃搭載一套145kWh的電池組，綜合續(xù)航里程超過400英里（約644公里），最高時速可達161英里/小時（約合259公里/小時）。快充模式下，9分鐘可達到160公里的續(xù)航里程。
天際：固態(tài)電池樣車亮相展示
2019年年初，天際展出國內(nèi)首臺固態(tài)電池電動汽車ME7。天際董事長兼CEO張海亮透露，天際固態(tài)電池將于2021年批量生產(chǎn)并裝車上市。屆時，天際將成為中國首家采用批產(chǎn)固態(tài)電池技術(shù)的主機廠，天際ME7也將成為國內(nèi)首款以固態(tài)電池作為動力來源的新能源車。
根據(jù)規(guī)劃，2019年天際將推出能量密度大幅增加的新一代固態(tài)電池產(chǎn)品，顯著提升循環(huán)壽命、電導(dǎo)率、批量工藝成熟度等關(guān)鍵指標(biāo)。張海亮表示，預(yù)計到2021年，天際固態(tài)電池電芯能量密度可達300Wh/kg以上，PACK能量密度達到220Wh/kg，達到初步商業(yè)化的技術(shù)狀態(tài)。
