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固态锂离子电池:让能量密度与安全性升级

钜大LARGE  |  点击量:830次  |  2020年08月12日  

传统的液态锂离子电池,被科学家们喻为“摇椅式电池”,摇椅两端为电池的正负两极,中间为电解质(液态)。其中的锂离子如同优秀的运动员在正负两极间来回奔跑,在运动过程中即完成电池的充放电过程。


然而,这种看似有趣的结构却存在隐患。据不完全统计,今年上半年电动汽车发生过10起燃烧事故。某消防单位对此总结,新能源汽车发生燃烧最为常见的重要场景表现为充电过程中的燃烧,此外,电池在行驶或停驶过程中也会出现燃烧。


不久前,在北京召开的第二届储能电池技术发展方向研讨会上,就目前电池存在的问题,与会专家提出固态电池相对是未来比较理想的选择,并在如何提升其能量密度与安全性方面提出发展路径。


可继承液态锂离子电池“江湖地位”


液态锂离子电池为何会频发爆炸,有专家分析,原因在于传统锂离子电池在大电流下工作有可能出现锂枝晶,从而刺破隔膜导致短路破坏;电解液为有机液体,在高温下会加剧发生副反应、氧化分解、出现气体、发生燃烧的倾向。


而近年来,学术界、产业界认为采用固态电池在安全性上相对有所保障,视其可以继承液态锂离子电池的“江湖地位”。


“储能的春天已经到来,储能行业开始萌芽开花,在各类储能技术中,电池储能最受关注,也是发展最快的储能技术方向。全固态锂离子电池是规模化储能理想的化学电源。”我国科学院电工研究所储能技术研究组陈永翀教授表示。


专家认为,全固态锂离子电池采用固态电解质替代传统有机液态电解液,有望从根本主解决电池安全性问题,是电动汽车和规模化储能理想的化学电源。


“固态电解质电池将是下一个风口,是新能源电池未来重要发展趋势。相较于传统锂离子电池,固态锂离子电池的差异在于电解质固态化,理论上存在一定的优势。”北京理工大学电动汽车辆国家工程实验室、我国电工技术学会电动汽车辆专业委员会委员孙立清曾表示。


由于固态锂离子电池技术采用锂、钠制成的玻璃化合物为传导物质,取代以往锂离子电池的电解液,大大提升锂离子电池的能量密度。采用固态电解质,可以把电池的可燃性降低,虽然电池中有一些燃烧成分,但是固态电解质能够起到阻止燃烧用途,由此,相比传统的有机电池体系电池,固态电解质不会引起燃烧。


那么,固态电池的固态电解质如何工作?据专家介绍,其具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端,传导更大的电流,进而提升电池容量。因此,在同样的电量下,固态电池体积将变得更小。而且,由于固态电池中没有电解液,封存将会变得更加容易,在汽车等大型设备上使用时,也不要再额外新增冷却管、电子控件等,不仅节约了成本,还能有效减轻重量。


科研与应用齐头并进


将固态电解质引入锂离子电池,是为了突破目前有机电解液存在的种种限制,提升电池的能量密度、功率、温度范围和安全性。与会专家提出,真正实现这些目标,仍需首先解决现有电解质材料本身以及与电极界面存在的一些问题。


我国科学院上海硅酸盐研究所副研究员靳俊介绍说,近几年我们实验室重要开发采用固态电解质的锂硫电池体系。用固体电解质修饰金属锂后,可以发现电池的循环稳定性得到很大提高。研究人员提出一个双电解质体系锂硫电池概念,采用具有锂离子导电特性LAGP体系的固体电解质,在正负极间采用少量液态电解液进行界面润湿,测试结果可以看到,首次放电比容量能够达到理论容量80%以上,相比于普通的液态锂硫电池得到很大提高,尤其在充放电效率方面,基本上接近100%,完全没有液态锂硫电池中存在的穿梭效应问题。


为了进一步解决电池的安全问题,我们把这个界面通过凝胶化,这样保证里面没有流动态的电解液,通过聚合物进行修饰,还可以缓冲循环过程中的体积效应。


清华大学材料学院副教授李亮亮表示,目前研发团队正在做一个氧化物固态电解质及固态锂离子电池的原形,采用三元正极,固态电解质膜和石墨负荷作负极,电池能量密度以及安全性非常好,容量仅仅下降不到10%,上千次循环后容量保持81%。固态电池具有高的能量密度、安全性好,可实现长时间的循环。


合肥博澳国兴能源技术有限公司郑明森博士指出,目前研发的叠片式大容量固态聚合物锂离子电池,结构相对简单、节点少,不要管理系统,在组装电池组时只需串联而非并联。采用一些固态的电解液替代传统的液态电解液,以解决电池的漏液,以及碰撞后燃烧问题,提高了电池的安全性。目前在合肥皇冠假日酒店建立1GWh储能示范电站,通过184块单体芯可供应储能1000度电能的单元模块,运行8个月以来,没有加空调降温,而电池容量并未衰减。


当然,固态电池开发还在路上,仍存在一些关键问题有待突破。专家表示,固体电池应用于储能领域需考虑到长寿命、安全性等因素。另外,还需解决长期循环过程中的体积效应、稳定性和界面相容性等问题。目前正针对关键核心问题展开更详细的研究。


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