固态锂电池:让能量密度与安全性升级

发布日期:2018-11-02
核心提示:传统的液态锂电池,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

传统的液态锂电池,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主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产生燃烧。

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。

可继承液态锂电池“江湖地位”

液态锂电池为何会频发爆炸,有专家分析,原因在于传统锂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、产生气体、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。”中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,是新能源电池未来主要发展趋势。相较于传统锂电池,固态锂电池的差异在于电解质固态化,理论上存在一定的优势。”北京理工大学电动车辆国家工程实验室、中国电工技术学会电动车辆专业委员会委员孙立清曾表示。

由于固态锂电池技术采用锂、钠制成的玻璃化合物为传导物质,取代以往锂电池的电解液,大大提升锂电池的能量密度。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作用,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,也不需要再额外增加冷却管、电子控件等,不仅节约了成本,还能有效减轻重量。

科研与应用齐头迸进

将固态电解质引入锂电池,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。

中国科学院上海硅酸盐研究所副研究员靳俊介绍说,近几年我们实验室主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,不需要管理系统,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块单体芯可提供储能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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