鉅大LARGE | 點擊量：1073次 | 2021年12月13日
新加坡科學家研發新型半固態電解質，可提高鋰硫電池安全性
據外媒報道，當今的鋰電池由陰極，陽極和液體電解質組成，該液體電解質在充電和放電時在鋰離子之間來回傳遞。最近，科學家一直在研究電解質的更多固態形式可能帶來什么，特別是在安全性方面。
新加坡的科學家們現在正在研究一種新型的半固態電解質，這種電解質可以提高鋰硫電池的安全性，鋰硫電池在儲能方面具有巨大的尚未開發的潛力。目前，這項研究發表在《納米能源》雜志上。
對于該領域的研究人員而言，一種工作可靠的鋰硫電池的前景（而不是目前普遍使用的鋰離子化學方法）令人興奮。這是因為它們每單位重量最多可以容納五倍的能量，但是主要障礙是它們提供的壽命短得多，而這些材料通常會迅速劣化并破裂。
因此，科學家們正在研究可以克服這一問題的新型電池架構，最近又出現了一些有希望的突破。這些是通過重新構想的電池組件實現的，這些組件包括混合陰極，完全固態的電解質和新的橋接鍵，這些鍵為硫顆粒提供了“呼吸的空間”。
現在，NBL研究團隊設計出一種混合準固態電解質，將Li7La3Zr2O12（LLZO）薄片制成可以吸收液體電解質的多孔膜。該團隊還開發了制備LLZO薄片的新方法，用于構建電解質框架，并將這種制作3D框架的一步法，命名為“紙杯蛋糕法”。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
然后加熱該“杯子蛋糕”將導致形成液體注入的多孔膜，該膜由高導電性和化學穩定性的片材組成。使用這種半固態的3D薄板堆疊作為電解質，可以與陰極和陽極良好接觸，但可以使其在充電過程中保持穩定。
研究人員青睞LLZO材料，是因其離子電導率高，而且具有優異的化學和電化學穩定性。受益于非剛性結構，這種電解質可與電極保持良好接觸，并且在操作和電池組裝過程中，不易開裂，有利于提高電池的安全性和性能。另外，NBL半固態電解質能在較大電壓范圍內保持穩定，與不同的鋰電池電極材料兼容，包括高壓正極。
制約鋰電池工業應用的主要阻礙在于安全性。因為電池中的液體有機電解質高度易燃，并且容易泄漏；另外，電池需要依賴熱性能和機械性能都不穩定的電極分離器。雖然固態電解質表現出改善鋰電池安全性能的潛力，但是，這種電解質與電極接觸不良，離子電導率低，使電池的電導率和性能表現不佳。
負責研究團隊的JackieY.Ying教授說：“同時包含液體和固體成分的混合準固體電解質已成為切實可行的折衷方案，以在保持良好性能的同時獲得更安全的電池?！钡?，固體的高電阻到目前為止，組件已經限制了這種電池的性能。為了克服這個問題，我們重新設計了固體成分的微觀結構。我們的解決方案消除了電解質泄漏，并且在熱和機械方面均穩定。”
采用NBL新型電解液制成的鋰硫電池具有容量大、充放電速度快等優點，穩定了電池的性能。在試驗中，新型電解質在1．5mg／cm2的負載密度下，獲得了顯著的速率能力（分別在1℃和2C℃下——515和——340mAh／g）。這是鋰硫混合準固體電池所能達到的最高性能之一。
Ying表示：“我們發現基于3D片材的框架對于最佳電池性能至關重要。此外，我們的系統在極端溫度下也表現出出色的穩定性。這些結果說明了我們的片狀結構作為其他半固態鋰電池框架的巨大潛力。”
什么是半固態電池？
半固態鋰電池，顧名思義，是指任一側電極不含液體電解質，另一側電極含有液態電解質的電池?；騿误w中固體電解質質量或體積占單體中電解質總質量或總體積之比的一半。
與現有鋰離子電池相比，半固態電池體積小，更加穩定安全，可以實現更高的能量密度，成本也比鋰離子電池便宜得多。目前，不少電池企業在研發固態電池的進展上會先退而求其次，選擇先加快半固態電池的研發速度。
國內半固態電池研發現狀
珈偉股份是國內率先量產半固態電池的企業。2016年11月，珈偉股份設立珈偉龍能固態儲能科技如皋有限公司，投資6.6億元投資建設快充鋰電池生產線，采用的是半固態技術。
此外，國軒高科在2018年曾表示，公司半固態電池中試線并無具體產能要求，主要用于產品驗證與開發。若產品與技術均相對成熟，公司將持續提升相關新產品產能規模與比例。
2018年3月，國軒高科對外稱，半固態電池技術已處于實驗室向中試轉換階段。公司半固態電池樣品與加工工藝目前正在處于實驗室階段，計劃2019年建設中試線。
國外半固態電池研發現狀
除了前文提到的24M公司，美國一家名為SolidEnergySystems的固態電池研發公司也于2018年7月生產出了第一批半固態電池，預計將于2021年后應用于電動汽車領域，目前將先應用于無人機內部。這批電池能量密度也是目前普通鋰離子電池的兩倍，而且可以重復充電23000次。
意大利的科研人員在半固態電池研發上也有突破：意大利博洛尼亞大學研究人員經過8年努力，在2018年7月研發出了一種新型半固態氧流量鋰電池NESSOX。具有高達1兆瓦時/噸的能量密度，同時還可以像汽車“加油”一樣，在幾分鐘內通過更換電池內部液體電解質完成充電。
