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不起火,不爆炸! 高比能、高安全性锂电池未来可期

2022年04月08日 14:11:29来源:仪器网作者:羊舌木

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  【仪器网 能源环境】当今社会,锂离子电池已经成为我们生活中不可缺少的一部分,无论是手机,还是数码相机或是笔记本电脑,其中都少不了锂电池的身影。在推动碳达峰碳中和背景下,加速动力系统电动化成为新能源汽车发展的必然趋势,而锂电池同样也是新能源汽车动力系统的关键技术。
 
  由于锂电池其电压高、容量大、循环性能好等优点而在众多电池中脱颖而出,成为了相当有理想、有前途的一种电池。这种电池不但可以反复充放电,并且可以持续保持高电容量。同时,从我国市场端来看,锂电池是十分适应我国发展趋势的,充电桩、换电站已经随处可见,在基础设施建设上的捆绑也让锂电获得了其他产业所不具备的优势。
 
  十多年来,锂电的能量密度从2倍提升到了3倍,成本也降低了80%左右。2021年前三季度国内新能源乘用车销量为182.1万辆,同比高增超过200%。从我国新能源汽车的普及到呈爆发式增长的需求就可以看出国民对锂电的认可,且锂电的发展已经有了趋势,这就使锂电无法轻易被别的能源所快速取代。
 
  但其实,眼下的锂电池也并非完美,其安全隐患随着能量密度的提升日益凸显,近些时间来,锂电池的自燃、爆炸等电池热失控现象频频发生,热失控事故已经成为制约锂离子电池进一步推广与规模化应用的瓶颈问题,提高电池安全性也成为新能源产业健康持久发展的先决条件。
 
  中科院青岛生物能源与过程研究所固态能源系统技术中心一直深耕于构建高比能、高安全性锂电池体系,他们将揭示电池热失控机理和开发高安全性电池体系设为关键客体,并在其中取得了突破性的发展。他们通过滴定-质谱联用的手段,证明了锂金属负极氢化锂(LiH)的存在,并且定量分析出了LiH的积累量与实际锂金属电池的可循环性呈负相关,揭示了锂金属电池失效的关键机理。
 
  同样,在充分总结电池材料热稳定性及其热特性基础上,科研人员提出电池材料(电极材料/电解质/添加剂等)之间的热兼容性对电池安全性至关重要,该团队通过原位/非原位耦合手段对三元高镍电池(NCM523)失效机理进行了材料-电池层级的探索,开创性地在NCM三元电池负极侧发现H-离子的存在,且证实了该组分与电解液具有较差的热兼容性,成为诱导电池升温过程中链式放热反应的主要触因。他们还证明了石墨负极侧产生的H2可穿梭至正极侧,从而加速剧烈放热行为,成为引发电池热失控的关键触因。
 
  不仅如此,固态能源系统中心科研人员还系统地研究了锂硫(Li-S)软包中电解质/电极的热兼容性、多硫化物穿梭对电池热安全的影响以及电解质的分解路线。金属锂负极搭配硫正极的锂硫电池因其超高的理论能量密度(2500Wh/kg)而成为最具吸引力的电池体系之一,相当具有商业潜力。该团队揭示了Li-S电池的放热链式反应,同时还发现,在Li-S体系中,硫正极升华、熔化以及负极锂金属熔融导致正负极在高温下发生串扰反应所致。这项研究对Li-S体系热失控路径的细致剖析将为构建下一代高比能、高安全性电池体系提供有益启发。
 
  无独有偶,加州大学伯克利分校Gerbrand Ceder教授与三星美国研究院王琰团队也关注到了锂离子电池的安全问题,有机液态电解液的泄漏和易燃问题一直是锂离子电池的一个重大安全隐患。他们发现使用无机固态电解质替代有机液态电解液可以从根本上解决这一问题、提升电池的安全性能,对此该团队成功合成出了一种新型的快离子导体材料LiGa(SeO3)2,该材料在室温下的体相锂离子导率可以达到0.11 mS/cm。
 
  研究团队还发现共顶点骨架结构中锂离子配位环境畸变程度更大,配位环境的畸变导致了锂离子稳定位点的能量升高,进一步导致了锂离子迁移活化能的降低,提高了锂离子的迁移活性。他们还认为,共顶点结构中锂离子的迁移位点与高价阳离子距离较远,感受到的高价阳离子排斥作用更弱,这也有利于锂离子的快速迁移。这些发现最重要的意义就在于揭示了氧化物锂离子导体的结构特点,这为新型锂离子导体材料的开发提供了较为明确的方向,并且降低了寻找新型固态电解质的门槛,进而有望加速固态电池的研发及应用。
 
  近日来,我国政府部门不断发布《“十四五”能源领域科技创新规划》、《关于推进共建“一带一路”绿色发展的意见》、《“十四五”生态保护监管规划》等相关政策条例,为积极响应绿色环保健康发展而不断推陈出新。这种具备高功率承受力,同时不论生产、使用和报废,都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质的绿色环保电池,无疑是十分契合我国发展战略的。相信在未来,锂电池的一些缺陷也都会被科学家们发现的新方法所填补,尽可能地为社会带来一种趋近于“完美”的能源。
 
  (资料参考来源:科技日报、知网)
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