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不起火，不爆炸！ 高比能、高安全性鋰電池未來可期
2022年04月08日 09:38:43
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：羊舌木 點擊量：5704
相信在未來，鋰電池的一些缺陷也都會被科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的新方法所填補，盡可能地為社會帶來一種趨近于“完美”的能源。
【化工儀器網(wǎng) 行業(yè)百態(tài)】當(dāng)今社會，鋰離子電池已經(jīng)成為我們生活中不可缺少的一部分，無論是手機，還是數(shù)碼相機或是筆記本電腦，其中都少不了鋰電池的身影。在推動碳達峰碳中和背景下，加速動力系統(tǒng)電動化成為新能源汽車發(fā)展的必然趨勢，而鋰電池同樣也是新能源汽車動力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。
由于鋰電池其電壓高、容量大、循環(huán)性能好等優(yōu)點而在眾多電池中脫穎而出，成為了相當(dāng)有理想、有前途的一種電池。這種電池不但可以反復(fù)充放電，并且可以持續(xù)保持高電容量。同時，從我國市場端來看，鋰電池是十分適應(yīng)我國發(fā)展趨勢的，充電樁、換電站已經(jīng)隨處可見，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上的捆綁也讓鋰電獲得了其他產(chǎn)業(yè)所不具備的優(yōu)勢。
十多年來，鋰電的能量密度從2倍提升到了3倍，成本也降低了80%左右。2021年前三季度國內(nèi)新能源乘用車銷量為182.1萬輛，同比高增超過200%。從我國新能源汽車的普及到呈爆發(fā)式增長的需求就可以看出國民對鋰電的認可，且鋰電的發(fā)展已經(jīng)有了趨勢，這就使鋰電無法輕易被別的能源所快速取代。
但其實，眼下的鋰電池也并非完美，其安全隱患隨著能量密度的提升日益凸顯，近些時間來，鋰電池的自燃、爆炸等電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象頻頻發(fā)生，熱失控事故已經(jīng)成為制約鋰離子電池進一步推廣與規(guī)模化應(yīng)用的瓶頸問題，提高電池安全性也成為新能源產(chǎn)業(yè)健康持久發(fā)展的先決條件。
中科院青島生物能源與過程研究所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心一直深耕于構(gòu)建高比能、高安全性鋰電池體系，他們將揭示電池?zé)崾Э貦C理和開發(fā)高安全性電池體系設(shè)為關(guān)鍵客體，并在其中取得了突破性的發(fā)展。他們通過滴定-質(zhì)譜聯(lián)用的手段，證明了鋰金屬負極氫化鋰(LiH)的存在，并且定量分析出了LiH的積累量與實際鋰金屬電池的可循環(huán)性呈負相關(guān)，揭示了鋰金屬電池失效的關(guān)鍵機理。
同樣，在充分總結(jié)電池材料熱穩(wěn)定性及其熱特性基礎(chǔ)上，科研人員提出電池材料(電極材料/電解質(zhì)/添加劑等)之間的熱兼容性對電池安全性至關(guān)重要，該團隊通過原位/非原位耦合手段對三元高鎳電池(NCM523)失效機理進行了材料-電池層級的探索，開創(chuàng)性地在NCM三元電池負極側(cè)發(fā)現(xiàn)H-離子的存在，且證實了該組分與電解液具有較差的熱兼容性，成為誘導(dǎo)電池升溫過程中鏈式放熱反應(yīng)的主要觸因。他們還證明了石墨負極側(cè)產(chǎn)生的H2可穿梭至正極側(cè)，從而加速劇烈放熱行為，成為引發(fā)電池?zé)崾Э氐年P(guān)鍵觸因。
不僅如此，固態(tài)能源系統(tǒng)中心科研人員還系統(tǒng)地研究了鋰硫(Li-S)軟包中電解質(zhì)/電極的熱兼容性、多硫化物穿梭對電池?zé)岚踩挠绊懸约半娊赓|(zhì)的分解路線。金屬鋰負極搭配硫正極的鋰硫電池因其超高的理論能量密度(2500Wh/kg)而成為最具吸引力的電池體系之一，相當(dāng)具有商業(yè)潛力。該團隊揭示了Li-S電池的放熱鏈式反應(yīng)，同時還發(fā)現(xiàn)，在Li-S體系中，硫正極升華、熔化以及負極鋰金屬熔融導(dǎo)致正負極在高溫下發(fā)生串?dāng)_反應(yīng)所致。這項研究對Li-S體系熱失控路徑的細致剖析將為構(gòu)建下一代高比能、高安全性電池體系提供有益啟發(fā)。
無獨有偶，加州大學(xué)伯克利分校Gerbrand Ceder教授與三星美國研究院王琰團隊也關(guān)注到了鋰離子電池的安全問題，有機液態(tài)電解液的泄漏和易燃問題一直是鋰離子電池的一個重大安全隱患。他們發(fā)現(xiàn)使用無機固態(tài)電解質(zhì)替代有機液態(tài)電解液可以從根本上解決這一問題、提升電池的安全性能，對此該團隊成功合成出了一種新型的快離子導(dǎo)體材料LiGa(SeO3)2，該材料在室溫下的體相鋰離子導(dǎo)率可以達到0.11 mS/cm。
研究團隊還發(fā)現(xiàn)共頂點骨架結(jié)構(gòu)中鋰離子配位環(huán)境畸變程度更大，配位環(huán)境的畸變導(dǎo)致了鋰離子穩(wěn)定位點的能量升高，進一步導(dǎo)致了鋰離子遷移活化能的降低，提高了鋰離子的遷移活性。他們還認為，共頂點結(jié)構(gòu)中鋰離子的遷移位點與高價陽離子距離較遠，感受到的高價陽離子排斥作用更弱，這也有利于鋰離子的快速遷移。這些發(fā)現(xiàn)最重要的意義就在于揭示了氧化物鋰離子導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點，這為新型鋰離子導(dǎo)體材料的開發(fā)提供了較為明確的方向，并且降低了尋找新型固態(tài)電解質(zhì)的門檻，進而有望加速固態(tài)電池的研發(fā)及應(yīng)用。
近日來，我國政府部門不斷發(fā)布《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》、《關(guān)于推進共建“一帶一路”綠色發(fā)展的意見》、《“十四五”生態(tài)保護監(jiān)管規(guī)劃》等相關(guān)政策條例，為積極響應(yīng)綠色環(huán)保健康發(fā)展而不斷推陳出新。這種具備高功率承受力，同時不論生產(chǎn)、使用和報廢，都不含有、也不產(chǎn)生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元素和物質(zhì)的綠色環(huán)保電池，無疑是十分契合我國發(fā)展戰(zhàn)略的。相信在未來，鋰電池的一些缺陷也都會被科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的新方法所填補，盡可能地為社會帶來一種趨近于“完美”的能源。
(資料參考來源：科技日報、知網(wǎng))
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