固態(tài)電池如何繼承液態(tài)鋰電池的地位

傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池，被科學(xué)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(zhì)（液態(tài)）。其中的鋰離子如同優(yōu)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(jié)構(gòu)卻存在隱患。據(jù)不完全統(tǒng)計，今年上半年電動汽車發(fā)生過10起燃燒事故。某消防單位對此總結(jié)，新能源汽車發(fā)生燃燒最為常見的主要場景表現(xiàn)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(chǎn)生燃燒。

不久前，在北京召開的第二屆儲能電池技術(shù)發(fā)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(tài)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(fā)展路徑。

可繼承液態(tài)鋰電池“江湖地位”

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

而近年來，學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界認為采用固態(tài)電池在安全性上相對有所保障，視其可以繼承液態(tài)鋰電池的“江湖地位”。

“儲能的春天已經(jīng)到來，儲能行業(yè)開始萌芽開花，在各類儲能技術(shù)中，電池儲能最受關(guān)注，也是發(fā)展最快的儲能技術(shù)方向。全固態(tài)鋰離子電池是規(guī)模化儲能理想的化學(xué)電源?！敝袊茖W(xué)院電工研究所儲能技術(shù)研究組陳永翀教授表示。

專家認為，全固態(tài)鋰離子電池采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)有機液態(tài)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(guī)模化儲能理想的化學(xué)電源。

“固態(tài)電解質(zhì)電池將是下一個風(fēng)口，是新能源電池未來主要發(fā)展趨勢。相較于傳統(tǒng)鋰電池，固態(tài)鋰電池的差異在于電解質(zhì)固態(tài)化，理論上存在一定的優(yōu)勢?！北本├砉ご髮W(xué)電動車輛國家工程實驗室、中國電工技術(shù)學(xué)會電動車輛專業(yè)委員會委員孫立清曾表示。

由于固態(tài)鋰電池技術(shù)采用鋰、鈉制成的玻璃化合物為傳導(dǎo)物質(zhì)，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(tài)電解質(zhì)，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(tài)電解質(zhì)能夠起到阻止燃燒作用，由此，相比傳統(tǒng)的有機電池體系電池，固態(tài)電解質(zhì)不會引起燃燒。

那么，固態(tài)電池的固態(tài)電解質(zhì)如何工作？據(jù)專家介紹，其具有的密度以及結(jié)構(gòu)可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導(dǎo)更大的電流，進而提升電池容量。因此，在同樣的電量下，固態(tài)電池體積將變得更小。而且，由于固態(tài)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(shè)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(jié)約了成本，還能有效減輕重量。

科研與應(yīng)用齊頭并進

將固態(tài)電解質(zhì)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(xiàn)這些目標(biāo)，仍需首先解決現(xiàn)有電解質(zhì)材料本身以及與電極界面存在的一些問題。

中國科學(xué)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(fā)采用固態(tài)電解質(zhì)的鋰硫電池體系。用固體電解質(zhì)修飾金屬鋰后，可以發(fā)現(xiàn)電池的循環(huán)穩(wěn)定性得到很大提高。研究人員提出一個雙電解質(zhì)體系鋰硫電池概念，采用具有鋰離子導(dǎo)電特性LAGP體系的固體電解質(zhì)，在正負極間采用少量液態(tài)電解液進行界面潤濕，測試結(jié)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(tài)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(tài)鋰硫電池中存在的穿梭效應(yīng)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(tài)的電解液，通過聚合物進行修飾，還可以緩沖循環(huán)過程中的體積效應(yīng)。

清華大學(xué)材料學(xué)院副教授李亮亮表示，目前研發(fā)團隊正在做一個氧化物固態(tài)電解質(zhì)及固態(tài)鋰電池的原形，采用三元正極，固態(tài)電解質(zhì)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(huán)后容量保持81％。固態(tài)電池具有高的能量密度、安全性好，可實現(xiàn)長時間的循環(huán)。

合肥博澳國興能源技術(shù)有限公司鄭明森博士指出，目前研發(fā)的疊片式大容量固態(tài)聚合物鋰離子電池，結(jié)構(gòu)相對簡單、節(jié)點少，不需要管理系統(tǒng)，在組裝電池組時只需串聯(lián)而非并聯(lián)。采用一些固態(tài)的電解液替代傳統(tǒng)的液態(tài)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(diào)降溫，而電池容量并未衰減。

當(dāng)然，固態(tài)電池開發(fā)還在路上，仍存在一些關(guān)鍵問題有待突破。專家表示，固體電池應(yīng)用于儲能領(lǐng)域需考慮到長壽命、安全性等因素。另外，還需解決長期循環(huán)過程中的體積效應(yīng)、穩(wěn)定性和界面相容性等問題。目前正針對關(guān)鍵核心問題展開更詳細的研究。