三元鋰電終結(jié)者是固態(tài)電池嗎？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-17 16:17
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鋰離子電池因其具有能量密度高、自放電率低、循環(huán)效率高，循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，頗受新能源汽車產(chǎn)業(yè)的青睞，市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/div>
但目前的鋰離子電池技術(shù)尚未成熟，安全性不穩(wěn)定的問(wèn)題仍然存在。
“現(xiàn)在所使用的鋰離子電池成本較高，技術(shù)也不成熟，所產(chǎn)的鋰離子電池存在不少安全隱患。”哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授王振波表示。
“是否安全對(duì)鋰離子電池儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。”清華大學(xué)材料學(xué)院副教授李亮亮強(qiáng)調(diào)，“目前市場(chǎng)上商用的鋰離子電池一般都采用有機(jī)液態(tài)電液，它的缺點(diǎn)是易燃燒，還可能滲漏液體，造成環(huán)境污染。”
兩個(gè)月前在韓國(guó)靈巖發(fā)生的鋰離子電池設(shè)備起火事件似乎印證了這一說(shuō)法。
“目前選擇使用的液態(tài)有機(jī)電解液易燃易爆，用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解液，是我們公認(rèn)可以提升鋰電池安全性能最為有效的方法之一。”中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所副研究員董衫木表示。
固態(tài)電解質(zhì)不易燃，還不會(huì)產(chǎn)生液態(tài)電解液，因此不帶腐蝕性，是解決電池安全性問(wèn)題的有效方法，也符合未來(lái)電池發(fā)展的趨勢(shì)。
高安全性是儲(chǔ)能電池應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提，固態(tài)化是解決二次電池安全性的最佳途徑。固態(tài)鋰電池已進(jìn)入全球加快布局和研發(fā)的階段，很多著名機(jī)構(gòu)都在開(kāi)發(fā)固態(tài)鋰電池。
目前，包括德國(guó)大眾、韓國(guó)三星、日本豐田和我國(guó)寧德時(shí)代在內(nèi)的眾多電池和汽車廠商，都加大了固態(tài)電池研發(fā)投入，已有部分電池進(jìn)入裝車測(cè)試階段。盡管前景可期，但由于技術(shù)和工藝上的種種問(wèn)題，發(fā)展固態(tài)電池的道路絕非一帆風(fēng)順。
作為固態(tài)電池的核心材料，目前在固體鋰離子導(dǎo)體的單一指標(biāo)上已有所突破，但綜合性能尚不能滿足大規(guī)模儲(chǔ)能需求?，F(xiàn)今固態(tài)電池采用的固態(tài)電解質(zhì)普遍存在性能短板，距離高性能鋰離子電池系統(tǒng)的要求仍有不小的差距。
在固體電解質(zhì)中鋰離子傳輸阻抗很大，與電極接觸的剛性界面接觸面積小，在充放電過(guò)程中電解質(zhì)體積的變化容易破壞界面的穩(wěn)定。
此外，在固態(tài)鋰電池中，除了電解質(zhì)和電極之間的界面，電極內(nèi)部還存在復(fù)雜的多級(jí)界面，電化學(xué)以及形變等因素都會(huì)導(dǎo)致接觸失效影響電池性能。
第三，長(zhǎng)期使用時(shí)穩(wěn)定性不理想也是長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能固態(tài)電池發(fā)展的瓶頸。
固態(tài)電池在服役過(guò)程中結(jié)構(gòu)與界面會(huì)隨時(shí)間發(fā)生退化，但退化對(duì)電池綜合性能的影響機(jī)制尚不明確，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效應(yīng)用。而構(gòu)建高性能固態(tài)電池需要從兩方面入手，一是構(gòu)建高性能的固態(tài)電解質(zhì)，二是提高界面的相容性和穩(wěn)定性。
針對(duì)固態(tài)電池，我們要從最基礎(chǔ)的材料、界面、單體，一直到最終的系統(tǒng)模塊進(jìn)行研究，只有從根本上解決了關(guān)鍵材料和界面問(wèn)題，才能開(kāi)展系統(tǒng)的工藝研究，從而滿足單電池的性能要求。
而面對(duì)發(fā)展過(guò)程中接連不斷的挑戰(zhàn)，各種新技術(shù)“百家爭(zhēng)鳴”，一些固態(tài)電池技術(shù)有了最新突破。
比如，在固體電解質(zhì)材料上，業(yè)內(nèi)發(fā)現(xiàn)基于石榴石結(jié)構(gòu)的鋰鑭鋯氧（LLZO）固體電解質(zhì)體系的固態(tài)電池具有優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能，它也因此成為一大技術(shù)熱點(diǎn)。
董衫木告訴記者了另一種電解質(zhì)材料思路——“剛?cè)岵?jì)”，使用剛性的聚合物骨架和無(wú)機(jī)顆粒與柔性的聚合物離子傳輸材料融合。
“通過(guò)聚合物和聚合物之間，以及聚合物和無(wú)機(jī)顆粒之間的路易斯酸堿相互作用，可為鋰離子傳輸創(chuàng)造新通道，大幅提升電解質(zhì)的綜合性能。”
通過(guò)凝膠態(tài)的聚合物對(duì)界面進(jìn)行修飾，增加接觸面積的同時(shí)還可以緩沖循環(huán)過(guò)程中的體積效應(yīng)，在室溫下經(jīng)過(guò)300次循環(huán)，基本無(wú)退化，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較好的改善了電池性能。
除了固態(tài)電解質(zhì)和界面，固態(tài)電池一體化設(shè)計(jì)也非常重要。因?yàn)閷?duì)儲(chǔ)能、新能源汽車等不同領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，需要有針對(duì)性的進(jìn)行電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于固態(tài)電池的研究，目前還是偏學(xué)術(shù)多一些，在產(chǎn)業(yè)化方面，因?yàn)橐恍╆P(guān)鍵技術(shù)涉及到各個(gè)企業(yè)核心技術(shù)而無(wú)法獲取，導(dǎo)致基于工程化應(yīng)用方面的技術(shù)還是需要進(jìn)行進(jìn)一步探究。鋰空氣電池是一種用鋰作陽(yáng)極，以空氣中的氧氣作為陰極反應(yīng)物的電池。放電過(guò)程：陽(yáng)極的鋰釋放電子后成為鋰陽(yáng)離子（Li+），Li+穿過(guò)電解質(zhì)材料，在陰極與氧氣、以及從外電路流過(guò)來(lái)的電子結(jié)合生成氧化鋰（Li2O）或者過(guò)氧化鋰（Li2O2），并留在陰極。鋰空氣電池的開(kāi)路電壓為2.91 V。
鋰空氣電池比鋰離子電池具有更高的能量密度，因?yàn)槠潢帢O（以多孔碳為主）很輕，且氧氣從環(huán)境中獲取而不用保存在電池里。理論上，由于氧氣作為陰極反應(yīng)物不受限，該電池的容量?jī)H取決于鋰電極，其比能為5.21kWh/kg（包括氧氣質(zhì)量），或11.14kWh/kg（不包括氧氣）。相對(duì)與其他的金屬-空氣電池，鋰空氣電池具有更高的比能（見(jiàn)下表）[1] ，因此，它非常有吸引力。
科學(xué)家們非常希望鋰空氣電池有一天能取代我們目前使用的鋰離子電池。“鋰離子充電電池已經(jīng)被使用了近25年，”劍橋大學(xué)化學(xué)系的Clare P. Grey教授在電話中說(shuō)，“25年前，結(jié)構(gòu)更為緊湊的鋰離子電池為便攜式電子產(chǎn)品的出現(xiàn)鋪平了道路，使我們隨身攜帶的電子設(shè)備變得更為輕巧便攜。鋰離子電池技術(shù)在當(dāng)時(shí)更適合消費(fèi)者，而如今，是時(shí)候讓鋰空氣電池來(lái)替代它了。”
沒(méi)有哪位化學(xué)家或工程師會(huì)說(shuō)，鋰離子電池是完美的。隨著電動(dòng)汽車的越來(lái)越普及，研究人員也開(kāi)始將精力集中在研究鋰空氣電池上。因?yàn)殇嚳諝怆姵乇蠕囯x子電池輕得多，更輕的汽車意味著更長(zhǎng)的續(xù)航里程。可以肯定的是，鋰空氣電池在理想情況下具有更高的能量密度。理論上說(shuō)，只有這種電池能讓電動(dòng)汽車在不必?cái)y帶巨大而笨重的電池組的情況下，擁有可媲美汽油車及柴油車的續(xù)航里程。
