中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：與電動(dòng)汽車的鋰離子電池相比，用于智能手表等小型電子設(shè)備的固態(tài)電池可能更安全強(qiáng)大，且可存儲(chǔ)太陽(yáng)能(000591)電池板的能量以備后用。然而，固態(tài)電池的普及仍存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)。
據(jù)外媒報(bào)道，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories）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。如果發(fā)生短路，電池會(huì)釋放所有儲(chǔ)存的能量，理論上超級(jí)安全的全固態(tài)電池也可能會(huì)釋放出危險(xiǎn)的熱量。
（圖片來(lái)源：桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）
桑迪亞博士后研究員Alex Bates表示：“固態(tài)電池或可變得更安全，且具有更高的能量密度。對(duì)電動(dòng)汽車而言，這意味著更高的續(xù)航里程，活更少的電池來(lái)進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能。添加液體電解質(zhì)還可推動(dòng)商業(yè)化，且不會(huì)犧牲安全性?！?
通過(guò)化學(xué)改善電池
固態(tài)電池有點(diǎn)像鋰離子電池。這兩種電池中的鋰離子會(huì)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。但區(qū)別在于鋰離子電池中，液體電解質(zhì)可以幫助鋰離子快速移動(dòng)。
參與該項(xiàng)目的桑迪亞電池測(cè)試實(shí)驗(yàn)室（Battery Abuse Testing Laboratory）的電池安全專家Loraine Torres-Castro將液體電解質(zhì)比作一隊(duì)駛?cè)胲嚨赖钠嚕嚎蓪囯x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)由固態(tài)電解質(zhì)取代，從而加快鋰離子快速移動(dòng)。Bates稱該技術(shù)的挑戰(zhàn)在于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)就像一列火車，可以快速將鋰離子運(yùn)送到車站，但乘客仍然需要走一段很遠(yuǎn)的路才能回家。
為加快這種直接運(yùn)送過(guò)程，科學(xué)家在電池的正極側(cè)添加了少量液體電解質(zhì)，從而提高電池充電速度和性能。
然而，該項(xiàng)目的桑迪亞電池可靠性專家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)滑車輪’的安全性存在很多爭(zhēng)議。一些科學(xué)家說(shuō)，無(wú)論加入多少液體電解質(zhì)都是不安全的。因此，我們進(jìn)行了計(jì)算，以確定液體電解質(zhì)的影響可能是有哪些?！?
勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的電池科學(xué)家Steve Harris和桑迪亞電池科學(xué)家Katie Harrison也都參與了這項(xiàng)研究。
固態(tài)電池有多安全？
為了確定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)算了帶有不同體積液體電解質(zhì)的鋰離子電池、全固態(tài)電池和固態(tài)電池可以釋放的熱量值。隨后，研究人員還對(duì)電池可能發(fā)生的三種故障進(jìn)行研究，以及測(cè)量每種故障所釋放的熱量值。
該項(xiàng)目的桑迪亞熱釋放計(jì)算專家John Hewson表示：“我們首先確定了這三種電池中有多少化學(xué)能。因?yàn)殡姵乜梢葬尫诺哪芰恐凳枪潭ǖ?，如果確實(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這些能量會(huì)加熱電池。”
Torres-Castro稱，可能發(fā)生的第一種故障是電池因周圍電池或設(shè)施而起火。在這些情況下，研究人員發(fā)現(xiàn)，帶有少量液體電解質(zhì)的固態(tài)電池產(chǎn)生的熱量約為同類鋰離子電池的五分之一，具體值取決于液體電解質(zhì)的多少。因此沒有液體電解質(zhì)的固態(tài)電池不會(huì)產(chǎn)生任何熱量。
可能發(fā)生的第二種電池故障是反復(fù)充放電使得鋰金屬形成枝晶。Preger稱枝晶可刺穿能夠區(qū)分陰陽(yáng)兩側(cè)的隔膜，從而引起短路。在這種情況下，上述三種電池產(chǎn)生的熱量相近，具體指取決于電池中鋰金屬的含量。
固態(tài)電池可能發(fā)生的第三種故障是固態(tài)電解質(zhì)可能會(huì)發(fā)生破裂。Torres-Castro表示，如果電池在運(yùn)行過(guò)程中被壓碎或刺破，或者壓力升高，電池一側(cè)的氧氣就會(huì)和另一側(cè)的鋰金屬發(fā)生反應(yīng)，從而會(huì)引起電池破裂。在這些情況下，沒有液體電解質(zhì)的固態(tài)電池的溫度與鋰離子電池非常接近，這一點(diǎn)讓研究小組非常震驚。
從安全計(jì)算到實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)
Preger稱：“固態(tài)電池的優(yōu)勢(shì)在于其安全性，因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)十分堅(jiān)固，不太可能會(huì)破裂。但一旦發(fā)生破裂，其溫度升高可能與鋰離子電池失效時(shí)一樣。此項(xiàng)研究著重強(qiáng)調(diào)了設(shè)計(jì)隔膜的重要性，從而保證固態(tài)電池的安全性。”
Bates稱該項(xiàng)目的下一步計(jì)劃是使用其他固體電解質(zhì)材料進(jìn)行類似的研究，并驗(yàn)證新的和原始的計(jì)算。Bates表示：“我們發(fā)現(xiàn)，若固態(tài)電池含有鋰金屬，無(wú)論它是否含有液態(tài)電解質(zhì)，該電池都存在潛在危險(xiǎn)。通過(guò)此次研究，我們發(fā)現(xiàn)性能和安全性間存在一定的權(quán)衡，但若僅添加一小部分液體電解質(zhì)，電池的性能就能得到顯著提高，且對(duì)安全性的影響很小?！?
Torres-Castro補(bǔ)充說(shuō)：“清楚并確切知道少量液體電解質(zhì)不會(huì)引發(fā)巨大安全問題，將有助于固態(tài)電池的商業(yè)發(fā)展。添加液體電解質(zhì)可以解決其主要問題之一，即固體電解質(zhì)界面?！?
