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不起火，不爆炸！高比能、高安全性鋰電池未來(lái)可期

2022-04-08 14:11:29來(lái)源：儀器網(wǎng)關(guān)鍵詞：鋰電池閱讀量：2349

　　【儀器網(wǎng) 能源環(huán)境】當(dāng)今社會(huì)，鋰離子電池已經(jīng)成為我們生活中不可缺少的一部分，無(wú)論是手機(jī)，還是數(shù)碼相機(jī)或是筆記本電腦，其中都少不了鋰電池的身影。在推動(dòng)碳達(dá)峰碳中和背景下，加速動(dòng)力系統(tǒng)電動(dòng)化成為新能源汽車(chē)發(fā)展的必然趨勢(shì)，而鋰電池同樣也是新能源汽車(chē)動(dòng)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(diǎn)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(shí)，從我國(guó)市場(chǎng)端來(lái)看，鋰電池是十分適應(yīng)我國(guó)發(fā)展趨勢(shì)的，充電樁、換電站已經(jīng)隨處可見(jiàn)，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(shì)。

　　十多年來(lái)，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(guó)內(nèi)新能源乘用車(chē)銷(xiāo)量為182.1萬(wàn)輛，同比高增超過(guò)200%。從我國(guó)新能源汽車(chē)的普及到呈爆發(fā)式增長(zhǎng)的需求就可以看出國(guó)民對(duì)鋰電的認(rèn)可，且鋰電的發(fā)展已經(jīng)有了趨勢(shì)，這就使鋰電無(wú)法輕易被別的能源所快速取代。

　　但其實(shí)，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(shí)間來(lái)，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(jìn)一步推廣與規(guī)?；瘧?yīng)用的瓶頸問(wèn)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(guò)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(jī)理和開(kāi)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(guò)滴定-質(zhì)譜聯(lián)用的手段，證明了鋰金屬負(fù)極氫化鋰(LiH)的存在，并且定量分析出了LiH的積累量與實(shí)際鋰金屬電池的可循環(huán)性呈負(fù)相關(guān)，揭示了鋰金屬電池失效的關(guān)鍵機(jī)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(duì)電池安全性至關(guān)重要，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)原位/非原位耦合手段對(duì)三元高鎳電池(NCM523)失效機(jī)理進(jìn)行了材料-電池層級(jí)的探索，開(kāi)創(chuàng)性地在NCM三元電池負(fù)極側(cè)發(fā)現(xiàn)H-離子的存在，且證實(shí)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(guò)程中鏈?zhǔn)椒艧岱磻?yīng)的主要觸因。他們還證明了石墨負(fù)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(duì)電池?zé)岚踩挠绊懸约半娊赓|(zhì)的分解路線。金屬鋰負(fù)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(tuán)隊(duì)揭示了Li-S電池的放熱鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，在Li-S體系中，硫正極升華、熔化以及負(fù)極鋰金屬熔融導(dǎo)致正負(fù)極在高溫下發(fā)生串?dāng)_反應(yīng)所致。這項(xiàng)研究對(duì)Li-S體系熱失控路徑的細(xì)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(wú)獨(dú)有偶，加州大學(xué)伯克利分校Gerbrand Ceder教授與三星美國(guó)研究院王琰團(tuán)隊(duì)也關(guān)注到了鋰離子電池的安全問(wèn)題，有機(jī)液態(tài)電解液的泄漏和易燃問(wèn)題一直是鋰離子電池的一個(gè)重大安全隱患。他們發(fā)現(xiàn)使用無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)替代有機(jī)液態(tài)電解液可以從根本上解決這一問(wèn)題、提升電池的安全性能，對(duì)此該團(tuán)隊(duì)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(dá)到0.11 mS/cm。

　　研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)共頂點(diǎn)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(diǎn)的能量升高，進(jìn)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(rèn)為，共頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)中鋰離子的遷移位點(diǎn)與高價(jià)陽(yáng)離子距離較遠(yuǎn)，感受到的高價(jià)陽(yáng)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(diǎn)，這為新型鋰離子導(dǎo)體材料的開(kāi)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(mén)檻，進(jìn)而有望加速固態(tài)電池的研發(fā)及應(yīng)用。

　　近日來(lái)，我國(guó)政府部門(mén)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(jìn)共建“一帶一路”綠色發(fā)展的意見(jiàn)》、《“十四五”生態(tài)保護(hù)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(shí)不論生產(chǎn)、使用和報(bào)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(wú)疑是十分契合我國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略的。相信在未來(lái)，鋰電池的一些缺陷也都會(huì)被科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的新方法所填補(bǔ)，盡可能地為社會(huì)帶來(lái)一種趨近于“完美”的能源。

　　(資料參考來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)、知網(wǎng))

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