用于電動(dòng)汽車(chē)的更安全、更強(qiáng)大的固態(tài)電池!
文章導(dǎo)讀：固態(tài)電池具有更安全的潛力，并且它們具有更高的能量密度；這意味著，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)，你可以在兩次充電之間走得更遠(yuǎn)，或者需要更少的電池來(lái)進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能。
目前，固態(tài)電池有可能比鋰離子電池更安全、更強(qiáng)大。固態(tài)電池開(kāi)始應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域。然而，在固態(tài)電池普及之前，還存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)。
桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室牽頭的一項(xiàng)研究于 3 月 7 日發(fā)表在科學(xué)期刊Joule上，解決了其中一個(gè)挑戰(zhàn)——長(zhǎng)期以來(lái)的假設(shè)是，添加一些液體電解質(zhì)以提高性能會(huì)使固態(tài)電池不安全。相反，研究小組發(fā)現(xiàn)，在許多情況下，含有少量液體電解質(zhì)的固態(tài)電池比鋰離子電池更安全。他們還發(fā)現(xiàn)，如果電池發(fā)生短路，釋放所有儲(chǔ)存的能量，理論上超級(jí)安全的全固態(tài)電池可能會(huì)釋放出危險(xiǎn)的熱量。
“固態(tài)電池具有更安全的潛力，并且它們具有更高的能量密度，”領(lǐng)導(dǎo)該論文研究的桑迪亞博士后研究員亞歷克斯貝茨說(shuō)。“這意味著，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)，你可以在兩次充電之間走得更遠(yuǎn)，或者需要更少的電池來(lái)進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能。添加液體電解質(zhì)可能有助于彌合商業(yè)化的差距，而不會(huì)犧牲安全性。”
Alex Bates 和桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的工程師 John Hewson 在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的電池測(cè)試室前檢查鋰離子電池。他們將傳統(tǒng)鋰離子電池釋放的熱量與固態(tài)電池和帶有少量液體電解質(zhì)的固態(tài)電池釋放的熱量進(jìn)行了比較。他們發(fā)現(xiàn)在許多情況下，含有少量液體電解質(zhì)的固態(tài)電池比鋰離子電池更安全。
通過(guò)化學(xué)方法改善電池固態(tài)電池有點(diǎn)像鋰離子電池。在兩者中，鋰離子從電池的一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)，而電子則通過(guò)電路為設(shè)備供電。一個(gè)很大的區(qū)別是，在整個(gè)鋰離子電池中，有一種物質(zhì)可以幫助鋰離子快速移動(dòng)：液體電解質(zhì)。
參與該項(xiàng)目的桑迪亞電池濫用測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的電池安全專(zhuān)家 Loraine Torres-Castro 將液態(tài)電解質(zhì)比作駛?cè)胲?chē)道的車(chē)隊(duì)：它將鋰離子直接運(yùn)送到需要去的地方。然而，目前的液體電解質(zhì)易燃，可能導(dǎo)致電池爆炸或起火，尤其是在電池?fù)p壞時(shí)。
在固態(tài)電池中，液態(tài)電解質(zhì)被稱(chēng)為固態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)材料所取代，這也有助于鋰離子快速移動(dòng)。貝茨說(shuō)，一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)是，雖然鋰離子可以在固體電解質(zhì)中快速移動(dòng)，但它們很難從固體電解質(zhì)移動(dòng)到電極，反之亦然。固體電解質(zhì)可以比作一列火車(chē)，也可以快速將鋰離子運(yùn)送到車(chē)站，但乘客仍然需要走得更遠(yuǎn)才能回家。
科學(xué)家加快這種“直接穿梭”的一種方法——從而提高電池充電速度和性能——是在電池的正極側(cè)添加一點(diǎn)液體電解質(zhì)。
然而，該項(xiàng)目的桑迪亞電池可靠性專(zhuān)家 Yuliya Preger 表示：“在固態(tài)電池研究界，關(guān)于將液體電解質(zhì)用于‘潤(rùn)滑車(chē)輪’的安全性存在很多爭(zhēng)議。一些科學(xué)家說(shuō)，任何數(shù)量的液態(tài)電解質(zhì)都是不安全的。因此，我們進(jìn)行了計(jì)算，看看液態(tài)電解質(zhì)的影響可能是什么。”
勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的電池科學(xué)家史蒂夫哈里斯和桑迪亞電池科學(xué)家凱蒂哈里森首先質(zhì)疑導(dǎo)致這項(xiàng)研究的“路線(xiàn)”。兩人都參與了這項(xiàng)研究。
桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的電池測(cè)試實(shí)驗(yàn)室展示了電池可能發(fā)生故障的不同方式的。
固態(tài)電池有多安全？
為了弄清楚帶有少量液體電解質(zhì)的固態(tài)電池的安全性，研究小組首先計(jì)算了鋰離子電池、全固態(tài)電池和固態(tài)電池可以釋放多少熱量具有不同數(shù)量液體電解質(zhì)的電池。所有測(cè)試的電池都具有等量的存儲(chǔ)能量。然后，他們研究了電池可能發(fā)生的三種不同的故障，以及由于每種故障而釋放的熱量。
“我們首先確定了三種電池中有多少化學(xué)能，”該項(xiàng)目的桑迪亞熱釋放計(jì)算專(zhuān)家約翰休森說(shuō)。“可以釋放的能量只有這么多，如果確實(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，它會(huì)使電池加熱一定程度。”
Torres-Castro 說(shuō)，可能發(fā)生的第一件故障是電池起火——來(lái)自鄰近的電池或周?chē)奈锛?。在這些情況下，研究人員發(fā)現(xiàn)，其中含有少量液體電解質(zhì)的固態(tài)電池產(chǎn)生的熱量約為同類(lèi)鋰離子電池的五分之一——這取決于它有多少液體電解質(zhì)。在這種情況下，沒(méi)有液體電解質(zhì)的固態(tài)電池不會(huì)產(chǎn)生任何熱量。
電池可能發(fā)生的第二個(gè)故障是，如果反復(fù)充電和放電導(dǎo)致鋰金屬形成稱(chēng)為枝晶的“尖峰”。Preger 說(shuō)，這種枝晶可以在隔膜上刺出一個(gè)孔，使兩側(cè)保持不同并導(dǎo)致短路。這是所有一側(cè)有鋰金屬的電池的一個(gè)已知問(wèn)題。在這種情況下，所有三個(gè)電池都會(huì)產(chǎn)生相似的熱量，這取決于電池中鋰金屬的含量。
固態(tài)電池可能發(fā)生的第三個(gè)故障是固態(tài)電解質(zhì)可能會(huì)破裂。Torres-Castro 說(shuō)，如果電池在運(yùn)行過(guò)程中被壓碎或刺破，或者由于壓力升高，都會(huì)發(fā)生這種情況，這將使電池一側(cè)的氧氣與另一側(cè)的鋰金屬發(fā)生反應(yīng)。在這些情況下，沒(méi)有液體電解質(zhì)的固態(tài)電池可以達(dá)到接近鋰離子電池的溫度，這讓研究小組感到驚訝。
結(jié)語(yǔ)
“我們發(fā)現(xiàn)，如果固態(tài)電池含有鋰金屬，無(wú)論它是否含有液態(tài)電解質(zhì)，它都有可能造成危險(xiǎn)，”他說(shuō)。“我們?cè)诒疚闹性噲D指出的是，性能和安全性之間存在一定的權(quán)衡，但添加一點(diǎn)液體可能會(huì)大大提高性能，而對(duì)安全性的影響很小。”Torres-Castro 補(bǔ)充說(shuō)，了解這種權(quán)衡可能有助于加快商業(yè)化進(jìn)程。“清楚并有信心知道少量液體電解質(zhì)不會(huì)造成巨大的安全問(wèn)題，這可能有助于商業(yè)固態(tài)電池的發(fā)展。
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