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讓能量密度和安全性升級的固態鋰電池

鉅大LARGE  |  點擊量:435次  |  2022年12月02日  

傳統的液態鋰電池,被科學家們喻為“搖椅式電池”,搖椅兩端為電池的正負兩極,中間為電解質(液態)。其中的鋰離子如同優秀的運動員在正負兩極間來回奔跑,在運動過程中即完成電池的充放電過程。


然而,這種看似有趣的結構卻存在隱患。據不完全統計,今年上半年電動汽車發生過10起燃燒事故。某消防單位對此總結,新能源汽車發生燃燒最為常見的主要場景表現為充電過程中的燃燒,此外,電池在行駛或停駛過程中也會產生燃燒。


不久前,在北京召開的第二屆儲能電池技術發展方向研討會上,就目前電池存在的問題,與會專家提出固態電池相對是未來比較理想的選擇,并在如何提升其能量密度與安全性方面提出發展路徑。


可繼承液態鋰電池“江湖地位”


液態鋰電池為何會頻發爆炸,有專家分析,原因在于傳統鋰電池在大電流下工作有可能出現鋰枝晶,從而刺破隔膜導致短路破壞;電解液為有機液體,在高溫下會加劇發生副反應、氧化分解、產生氣體、發生燃燒的傾向。

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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%

而近年來,學術界、產業界認為采用固態電池在安全性上相對有所保障,視其可以繼承液態鋰電池的“江湖地位”。


“儲能的春天已經到來,儲能行業開始萌芽開花,在各類儲能技術中,電池儲能最受關注,也是發展最快的儲能技術方向。全固態鋰離子電池是規模化儲能理想的化學電源?!敝袊茖W院電工研究所儲能技術研究組陳永翀教授表示。


專家認為,全固態鋰離子電池采用固態電解質替代傳統有機液態電解液,有望從根本主解決電池安全性問題,是電動汽車和規?;瘍δ芾硐氲幕瘜W電源。


“固態電解質電池將是下一個風口,是新能源電池未來主要發展趨勢。相較于傳統鋰電池,固態鋰電池的差異在于電解質固態化,理論上存在一定的優勢。”北京理工大學電動車輛國家工程實驗室、中國電工技術學會電動車輛專業委員會委員孫立清曾表示。


由于固態鋰電池技術采用鋰、鈉制成的玻璃化合物為傳導物質,取代以往鋰電池的電解液,大大提升鋰電池的能量密度。采用固態電解質,可以把電池的可燃性降低,雖然電池中有一些燃燒成分,但是固態電解質能夠起到阻止燃燒作用,由此,相比傳統的有機電池體系電池,固態電解質不會引起燃燒。

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標稱電壓:28.8V
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應用領域:勘探測繪、無人設備

那么,固態電池的固態電解質如何工作?據專家介紹,其具有的密度以及結構可以讓更多帶電離子聚集在一端,傳導更大的電流,進而提升電池容量。因此,在同樣的電量下,固態電池體積將變得更小。而且,由于固態電池中沒有電解液,封存將會變得更加容易,在汽車等大型設備上使用時,也不需要再額外增加冷卻管、電子控件等,不僅節約了成本,還能有效減輕重量。


科研與應用齊頭并進


將固態電解質引入鋰電池,是為了突破目前有機電解液存在的種種限制,提升電池的能量密度、功率、溫度范圍和安全性。與會專家提出,真正實現這些目標,仍需首先解決現有電解質材料本身以及與電極界面存在的一些問題。


中國科學院上海硅酸鹽研究所副研究員靳俊介紹說,近幾年我們實驗室主要開發采用固態電解質的鋰硫電池體系。用固體電解質修飾金屬鋰后,可以發現電池的循環穩定性得到很大提高。研究人員提出一個雙電解質體系鋰硫電池概念,采用具有鋰離子導電特性LAGP體系的固體電解質,在正負極間采用少量液態電解液進行界面潤濕,測試結果可以看到,首次放電比容量能夠達到理論容量80%以上,相比于普通的液態鋰硫電池得到很大提高,尤其在充放電效率方面,基本上接近100%,完全沒有液態鋰硫電池中存在的穿梭效應問題。


為了進一步解決電池的安全問題,我們把這個界面通過凝膠化,這樣保證里面沒有流動態的電解液,通過聚合物進行修飾,還可以緩沖循環過程中的體積效應。


清華大學材料學院副教授李亮亮表示,目前研發團隊正在做一個氧化物固態電解質及固態鋰電池的原形,采用三元正極,固態電解質膜和石墨負荷作負極,電池能量密度以及安全性非常好,容量僅僅下降不到10%,上千次循環后容量保持81%。固態電池具有高的能量密度、安全性好,可實現長時間的循環。


合肥博澳國興能源技術有限公司鄭明森博士指出,目前研發的疊片式大容量固態聚合物鋰離子電池,結構相對簡單、節點少,不需要管理系統,在組裝電池組時只需串聯而非并聯。采用一些固態的電解液替代傳統的液態電解液,以解決電池的漏液,以及碰撞后燃燒問題,提高了電池的安全性。目前在合肥皇冠假日酒店建立1GWh儲能示范電站,通過184塊單體芯可提供儲能1000度電能的單元模塊,運行8個月以來,沒有加空調降溫,而電池容量并未衰減。


當然,固態電池開發還在路上,仍存在一些關鍵問題有待突破。專家表示,固體電池應用于儲能領域需考慮到長壽命、安全性等因素。另外,還需解決長期循環過程中的體積效應、穩定性和界面相容性等問題。目前正針對關鍵核心問題展開更詳細的研究。

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