鉅大LARGE | 點擊量：1186次 | 2018年06月28日
固態(tài)鋰電池技術(shù)究竟發(fā)展到了哪一步？
特斯拉電動車的起火事故接連發(fā)生，國內(nèi)數(shù)起均十分嚴(yán)重，甚至整車嚴(yán)重?zé)龤?，讓人們對商?a href="http://www.bocadiamonds.com" class = "seo-anchor" data-anchorid=40 target="_blank">鋰離子電池的安全性重新審視。傳統(tǒng)鋰離子電池中的液態(tài)有機電解質(zhì)是燃燒、爆炸隱患的罪魁禍?zhǔn)住?/p>
盡管電池管理系統(tǒng)可一定程度上保證電池一致性和安全，但當(dāng)外力碰撞造成穿刺的時候，鋰離子電池起火爆炸在所難免。顯然，這不是通過單純的外部電池管理或物理外圍保護所能解決的，需從理論上突破鋰電池的設(shè)計理念，從而從根本上提高鋰電池的安全性。
利用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)被認(rèn)為是從本質(zhì)上提升鋰電池安全性的必由之路。但是，由于固固界面相容性等一系列科學(xué)問題亟待解決及固體電解質(zhì)規(guī)模制備技術(shù)不成熟，至今尚未有商業(yè)化的高能量密度固態(tài)鋰電池問世。
依托中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所建設(shè)的青島儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院(簡稱：青島儲能院)在中科院納米專項的支持下，歷經(jīng)多年摸索與開拓，在高能量密度固態(tài)鋰電池方面取得了階段性的進展，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域取得系列進展，已經(jīng)發(fā)表SCI論文42篇，在高能量密度、高安全全海深固態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)化示范方面，攻克全海深長續(xù)航動力電源的關(guān)鍵核心技術(shù)，已經(jīng)實現(xiàn)11000米壓力艙考驗和全海深示范應(yīng)用，助推國家深海電源邁向新高度。
固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)鋰離子電池的核心部件，研究與開發(fā)綜合性能優(yōu)異的固態(tài)電解質(zhì)體系是系統(tǒng)提升電池性能的核心和瓶頸問題。但無論無機材料還是聚合物材料，僅靠單一材料無法滿足大容量電池在離子導(dǎo)電性、機械強度及熱穩(wěn)定等綜合性能提升的要求。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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%
為了解決這一難題，青島儲能院提出“剛?cè)岵惫虘B(tài)聚合物電解質(zhì)的設(shè)計理念，發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢，創(chuàng)新地復(fù)合“剛性”多孔骨架材料和“柔性”聚合物離子傳輸材料。通過剛?cè)岵牧系膬?yōu)勢互補，結(jié)合路易斯酸堿相互作用增加嵌段運動且提升界面離子傳輸?shù)奶攸c，制備出多款綜合性能優(yōu)異的“剛?cè)岵惫虘B(tài)聚合物電解質(zhì)進而滿足了長續(xù)航、高安全固態(tài)鋰電池的苛刻要求。
固態(tài)電解質(zhì)與電極間固固界面的離子傳導(dǎo)關(guān)系到固態(tài)鋰電池的成敗。為有效降低界面阻抗，受“SEI膜”的啟發(fā)，青島儲能院提出“原位自形成”機制，首先將液態(tài)單體分子浸潤電極界面，再原位聚合為高分子量的固態(tài)電解質(zhì)。
此“原位自形成”體系在有效解決固固界面離子傳導(dǎo)的同時，改善鋰離子在界面分布從而抑制鋰枝晶，成果發(fā)表于Adv.Sci.,2017,4,1600377；2017,DOI:10.1002/manuscriptNo.advs.201700174。
基于此理念，青島儲能院構(gòu)筑的一體化固態(tài)鈉電池，可有效降低界面阻抗并拓寬電化學(xué)窗口，大大提升固態(tài)鈉電池的長循環(huán)穩(wěn)定性。與此同時，該“原位自形成”方法進一步延伸至高電壓磷酸鐵錳鋰正極的應(yīng)用及鋰金屬負(fù)極的原位保護，系列成果發(fā)表于Small,2017,13,1601530；J.Mater.Chem.A.2017,5,11124；Chem.Mater.2017,29,4682。
在固態(tài)電池實際應(yīng)用中，擠壓、穿刺等現(xiàn)象不可避免。如何應(yīng)對隨之帶來的固固界面失效問題非常必要。青島儲能院巧妙利用熱可逆聚合物的溫度響應(yīng)凝膠化過程，構(gòu)筑了具有“冷卻恢復(fù)”功能的固態(tài)電池體系(圖2)。
在受到強烈擠壓或折疊后，電解質(zhì)與電極的接觸雖然被破壞，電池性能驟降，但可通過簡單的低溫冷卻步驟重塑有效的固固界面，實現(xiàn)電池性能的高效恢復(fù)，成果發(fā)表于Angew.Chem.Int.Ed.2017,DOI:10.1002/anie.201704373。
在固態(tài)鋰電池大容量器件集成和中試方面，青島儲能院已經(jīng)突破高能量密度固態(tài)鋰電池的技術(shù)瓶頸：成功開發(fā)出大容量固態(tài)鋰電池；國家化學(xué)電源檢測中心第三方檢測能量密度達到300Wh/kg，循環(huán)壽命超過500次；而且他們進一步發(fā)展聚合物受熱流動會切斷短路點保障安全性能，多次穿釘實驗表明電池安全性極佳且具有自修復(fù)特性。
2017年3月，青島儲能院開發(fā)的“青能-Ⅰ”固態(tài)電池隨中科院深淵科考隊遠(yuǎn)赴馬里亞納海溝，為“萬泉”號著陸器控制系統(tǒng)及CCD傳感器提供能源，順利完成萬米全深海示范應(yīng)用，標(biāo)志著中科院突破全海深電源技術(shù)瓶頸，掌握全海深電源系統(tǒng)的核心技術(shù)，這項技術(shù)將會為發(fā)展“蛟龍?zhí)枴睘榇淼纳詈撈鞯母咝阅荛L續(xù)航電源系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。相關(guān)成果與技術(shù)已申請中國發(fā)明專利29項，國際PCT專利3項。
