固態鋰電池：讓能量密度與安全性升級

傳統的液態鋰電池，被科學家們喻為“搖椅式電池”，搖椅兩端為電池的正負兩極，中間為電解質(液態)。其中的鋰離子如同優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，這種看似有趣的結構卻存在隱患。據不完全統計，今年上半年電動車發生過10起燃燒事故。某消防單位對此總結，新能源汽車發生燃燒最為常見的緊要場景表現為充電過程中的燃燒，此外，電池在行駛或停駛過程中也會出現燃燒。

不久前，在北京召開的第二屆儲能電池技術發展方向研討會上，就目前電池存在的問題，與會專家提出固態電池相對是將來比較理想的選擇，并在要怎么樣提升其能量密度與安全性方面提出發展路徑。

可繼承液態鋰電池“江湖地位”

液態鋰電池為甚么會頻發爆炸，有專家分解，原由在于傳統鋰電池在大電流下工作有可能出現鋰枝晶，從而刺破隔膜導致短路破壞;電解液為有機液體，在高溫下會加劇發生副反應、氧化分析、出現氣體、發生燃燒的傾向。

而近年來，學術界、產業界認為采用固態電池在安全性上相對有所保障，視其可以繼承液態鋰電池的“江湖地位”。

“儲能的春天已經到來，儲能行業開始萌芽開花，在各類儲能技術中，電池儲能最受關注，也是發展最快的儲能技術方向。全固態鋰電池是規模化儲能理想的化學電源。”我國科學院電工研究所儲能技術研究組陳永翀教授表示。

專家認為，全固態鋰電池采用固態電解質替代傳統有機液態電解液，有望從根本主處理電池安全性問題，是電動車和規模化儲能理想的化學電源。

“固態電解質電池將是下一個風口，是新能源電池將來緊要發展趨勢。相較于傳統鋰電池，固態鋰電池的差異在于電解質固態化，理論上存在一定的優點。”北京理工大學電動車輛國家工程試驗室、我國電工技術學會電動車輛專業委員會委員孫立清曾表示。

由于固態鋰電池技術采用鋰、鈉制成的玻璃化合物為傳導物質，取代以往鋰電池的電解液，大大提升鋰電池的能量密度。采用固態電解質，可以把電池的可燃性降低，雖然電池中有一些燃燒成分，但是固態電解質能夠起到阻止燃燒用途，由此，相比傳統的有機電池體系電池，固態電解質不會引起燃燒。

那么，固態電池的固態電解質要怎么樣工作?據專家解析，其具有的密度以及結構可以讓更多帶電離子集中在一端，傳導更大的電流，進而提升電池容量。因此，在同樣的電量下，固態電池體積將變得更小。而且，由于固態電池中沒有電解液，封存將會變得更加容易，在汽車等大型設備上使用時，也不要再額外新增冷卻管、電子控件等，不僅節約了成本，還能有效減輕重量。

科研與使用齊頭并進

將固態電解質引入鋰電池，是為了沖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，真正實現這些目標，仍需首先處理現有電解質材料本身以及與電極界面存在的一些問題。

我國科學院上海硅酸鹽研究所副研究員靳俊解析說，近幾年我們試驗室緊要開發采用固態電解質的鋰硫電池體系。用固體電解質修飾金屬鋰后，可以發現電池的循環穩定性得到很大提高。研究人員提出一個雙電解質體系鋰硫電池概念，采用具有鋰離子導電特性LAGP體系的固體電解質，在正負極間采用少量液態電解液進行界面潤濕，探測結果可以看到，首次放電比容量能夠達到理論容量80%以上，相比于一般的液態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%，完全沒有液態鋰硫電池中存在的穿梭效應問題。

為了進一步處理電池的安全問題，我們把這個界面通過凝膠化，這樣保證里面沒有流動態的電解液，通過聚合物進行修飾，還可以緩沖循環過程中的體積效應。

清華大學材料學院副教授李亮亮表示，目前研發團隊正在做一個氧化物固態電解質及固態鋰電池的原形，采用三元正極，固態電解質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%，上千次循環后容量保持81%。固態電池具有高的能量密度、安全性好，可實現長時間的循環。

合肥博澳國興能源技術有限公司鄭明森博士指出，目前研發的疊片式大容量固態聚合物鋰電池，結構相對簡單、節點少，不要管理系統，在組裝電池包時只需串聯而非并聯。采用一些固態的電解液替代傳統的液態電解液，以處理電池的漏液，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塊單體芯可供應儲能1000度電能的單元模塊，運行8個月以來，沒有加空調降溫，而電池容量并未衰減。

當然，固態電池開發還在路上，仍存在一些關鍵問題有待沖破。專家表示，固體電池使用于儲能范疇需考慮到長壽命、安全性等因素。另外，還需處理長期循環過程中的體積效應、穩定性和界面相容性等問題。目前正針對關鍵核心問題展開更具體的研究。

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