固态电池技术新突破，能延长电池寿命，提升充电能力？
来源：宝鄂实业
2019-03-27 10:07
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盖世汽车讯 人们对电池的要求并不高：在需要的时间内尽可能长时间地提供能量，充电速度快，不会突然起火，但是2016年的一系列手机电池起火事件动摇了消费者对锂离子电池的信心。自上世纪80年代推出以来，锂离子电池曾帮助引领现代便携式电子产品的发展，但是一直受到安全问题的困扰。随着人们对电动汽车兴趣越来越大，研究人员和业内人士都在寻找改进充电电池的技术，此类技术需要能够安全可靠地为汽车、自动驾驶汽车、机器人和其他下一代设备提供动力。
据外媒报道，美国康奈尔大学（Cornell University）的一项新研究改进了固态电池的设计。固态电池本质上比现有的锂离子电池更安全，能量密度也更高，锂离子电池依赖易燃液体电解质将存储在分子键中的化学能量快速转移至电能中。康奈尔大学研究人员将液体电解质转化为电化学电池内部的固体聚合物，利用了液体和固体的特性以克服当前影响电池设计的关键限制。
该研究的博士后研究员兼首席作者Qing Zhao表示：“可以想象一下一杯装满冰块的玻璃杯，有些冰块会接触到玻璃杯，但是也有缝隙。但是如果将玻璃杯装满水并且冰冻起来，界面就会被完全覆盖，玻璃杯内的冰块与水之间就可以建立起牢固的联系。在电池中利用同样的概念就可以促进离子在电池电极固体表面向电解质高速率转移，而不需要可燃液体。”
该方案的关键在于引入特殊分子，在不损害电池其他功能的情况下，在电化学电池内引发聚合。如果电解质是环醚，可设计引发剂，让其撕裂环，从而产生结合在一起的反应性单体链，以产生与醚的化学性质基本相同的长链状分子。此类坚固的聚合物在金属界面处保持了紧密连接，犹如玻璃杯中的冰块。
固态电解质除了有助于提高电池的安全性外，还有助于让下一代电池能够利用锂和铝等金属作为阳极，与当今最先进电池技术相比，可实现更大的能量存储。在此种情况下，固态电解质可以防止金属形成树突，从而导致电池短路、过热和故障。尽管固态电池优势明显，但是大规模量产遭受了阻碍。制造成本高，以前的设计导致的界面性能差，都造成了重大的技术障碍，此外，固态系统还能够稳定电池热变化，从而免去电池冷却的必要。
据研究人员所说，生产新型聚合物电解质的现场技术有望延长高能量密度可充电金属电池的循环寿命，提升充电能力。
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，有望从根本上解决电池安全性问题，是电动汽车和规模化储能的理想化学电源。
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。
安全性更高，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，有望从根本上解决电池安全性问题，是电动汽车和规模化储能的理想化学电源。
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，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。
由于固态锂电池采用锂、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，大大提升了锂电池的能量密度。采用固态电解质，可以阻止电池中的一些成分燃烧。
专家介绍，固态锂电池的密度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。
开发还在路上，一些关键问题有待突破
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，近几年他们实验室主要开发采用固态电解质的锂硫电池体系。用固态电解质修饰金属锂后，可以提高电池的循环稳定性。他们还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，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，他们把这个界面凝胶化，以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团队，正在研制一种氧化物固态电解质及固态锂电池的原型，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，上千次循环后容量保持81％。
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，可以解决电池的漏液和碰撞后燃烧问题，提高了电池的安全性。
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。
