室温条件下以低成本储存风能和太阳能，新型电池可做到
来源：宝鄂实业
2019-03-19 10:46
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7月18日，美国斯坦福大学的研究人员在《焦耳》杂志上发表研究成果称，他们开发的一种新型材料组合可能有助于开发一种可充电电池，这种电池能够储存大量可再生能源，包括风能和太阳能。随着进一步的发展，新技术可以在正常的环境温度下，快速、有效地向电网输送能量。
该技术——“流式电池”的一种，被认为是储存间歇性可再生能源的技术。然而，直到现在，能够产生电流的液体要么受限于传送能量的数量，要么需要极高的温度，要么需要使用有毒或昂贵的化学物质。
斯坦福大学材料科学与工程助理教授，Alphabet旗下研究子公司X Development的技术员William Chueh，以及他的博士生Antonio Baclig和Jason Rugolo，尝试将钠和钾在室温下混合形成液态金属，作为电池的电子供体或负极液体。理论上，这种液态金属每克的可用能量至少是其他流动电池负极流体的10倍。“我们仍有很多工作要做。”Baclig说，“但这种新型的流动电池，可以更大程度地利用太阳能和风能。”
为了利用电池的液态金属负极，研究小组找到了一种合适的由钾和氧化铝制成的陶瓷膜，在允许电流流动的同时，保持负极和正极材料的分离。这两项技术的进步使传统流式电池的最大电压增加了一倍多，而且样机在数千小时的运行中仍然保持稳定。这种高电压意味着电池可以储存更多的能量，这也降低了生产电池的成本。
Baclig说：“一种新的电池技术有很多不同的性能指标：成本、效率、尺寸、寿命、安全等等。我们认为，这种技术有可能，需要更多的工作来满足所有人的需求，这就是为什么我们对此感到兴奋。”
研究小组还发现，陶瓷膜非常有选择性地阻止钠向电池的正极迁移——要使电池膜成功应用，这一点至关重要。然而，这种薄膜在温度高于200摄氏度（392华氏度）时最有效。为了追求室温电池，研究小组尝试了一种更薄的薄膜。这提高了设备的功率输出，表明改进薄膜的设计很有前景。
他们还试验了四种不同的液体作为电池的正极。这种以水为基础的液体能迅速降解电池膜，但他们认为以非水为基础时就将提高电池的性能。
应对这种热稳定差也有一系列的改进途径，比如说材料的包覆等，我们还发现了一个新的方法，就是用单晶颗粒来替代多晶的正极材料，电池的热稳定性有非常好的改善，相应的安全性也有很好的改善。
第二就是热蔓延，真正的事故是热蔓延导致的，就是一个电池单体热失控之后，所有电池包全部蔓延起来，着火事故就发生了。
根据我们对热失控蔓延过程的测试和仿真的传热分析，设计了一种隔热的方法，就是在主导传热的路径上加隔热材料，实验发现确实达到了隔断热失控蔓延的效果。这种防火墙技术已经在中国倡导的国际电动汽车热失控蔓延的法规中得到采纳。
第三个方面，是热失控的诱因和电池管理。第一个诱因就是内短路，对在用电池和事故电池的分析发现，电池制造时均匀的极片在使用一段时间之后会产生折叠区域的破裂，容易发生局部的析锂，从而导致热失控。另外就是制造过程中的杂质也会引起内部的短路，我们把这个叫电池的癌症，因为不知道它什么时候诱发热失控，有时候往往会经历很长时间之后产生内短路。为此我们发明了电池内短路的一个替代实验方法，通过在一个特定电池里面植入记忆合金实现预期的内短路。我们研究之后把内短路分成了四类，其中铝集流体和负极相连是最危险的内短路。也是必须要提前预警的，为此我们做了一系列的研究，并获得了内短路的三阶段演变过程。第一阶段，只有电压的下调，没有温度的上升；第二阶段才有温度的上升，第三阶段才发生急剧的温度上升现象，也就是热失控。根据这个演变过程，我们争取在前两个阶段把内短路判别出来，就可以提前15分钟将可能引发热失控的内短路预警出来，这一技术已经与宁德时代进行了合作。
第二个方面就是充电，我们通过测试分析搞清了过充热失控机理，在此基础上，通过热电耦合模型来预测电池过充热失控的表现。过充事故一般是微过充，比如电池的不一致性导致的，因为不一致，充电过程中有的地方已经充满了，有的地方还没有充满，就会导致有一些充满的电池微过充，接着就会在负极材料上析锂，产生锂枝晶，就是所谓的析锂，导致安全性变差，导致短路。
为了解决这一问题，我们开发了基于参比电极的无析锂快充技术，把负极的电位控制在零以上（零以下会析锂），这需要增加一个电极，即三电极。在三电极基础上，可以基于模型进行反馈和观察，这就是我们的无析锂快充技术，这种技术应用之后就没有析锂发生，而且充电速度加快。
第三个原因是老化。电池老化后的不一致性会扩大，这就是电池循环次数的增加不一致性会变得越来越大的原因，而随着容量一致性变差，电池管理的精确性也就很差。另外，低温环境下的老化会严重影响电池的热稳定性，发生热失控的自生热温度会降低，这就更容易导致热失控。
通过对这些问题的分析，我们发现保障电池系统安全性的核心是研发先进的电池管理系统。目前，在电池管理系统方面，国内的产品的功能不足、精度不够，尤其是安全功能是不全，因此需要加大电池管理系统的研发力度。清华在电池管理系统的积淀比较丰富，已经获得65项专利授权，这些专利在国内外著名公司合作中得到了应用，其中部分专利也授权给了奔驰汽车公司。
那么我们如何彻底解决电池安全性问题？近期可以通过一些技术来保障安全性，但是长远看，要保障电池的绝对安全就需要前瞻性的科学研究。锂离子动力电池高比能是全世界范围的发展方向和趋势，我们不能因为有安全问题就不发展高比能量电池，关键是把握高比能量与安全性之间的平衡点。比如高镍三元锂离子动力电池的本征安全问题，其机理是正极会释放氧，我们可以通过界面的修饰来延缓正极释氧，提高稳定性；再一个就是开发下一代的固态电解质，从根本上解决电解液燃烧的问题。
基于各国动力电池技术路线的比较，短期是液态电解液的锂离子电池，下一步将会向固态电池方向发展。综合考虑电池成本和动力电池的发展方向，我们建议我国也应该走类似的路径，即短期是液态电解质，发展高镍三元正极和硅炭负极，通过电池管理系统和热蔓延的抑制来防止安全事故发生，这类电池能够满足电动汽车500公里续驶里程的要求。中长期，从液态电解质逐步过渡到全固态电池，估计在2030年全固态电池将会得到产业化应用。
总之，我们要力争解决动力电池本征安全问题，保障新能源汽车行业的健康发展。对我的报告的总结，可以归纳为：
我们要正确看待近期新能源汽车起火的事件，其主要原因是产品质量问题，没有遵守技术规范和技术标准、技术验证周期的偏短等等。
