用于电动汽车和电网的更安全、更强大的电池

液态电解质很少的固态电池比锂离子电池更安全

 

一项新的研究解决了一个长期存在的假设，即添加一些液体电解质以提高性能会使固态电池不安全。相反，研究小组发现，在许多情况下，含有少量液体电解质的固态电池比锂离子电池更安全。他们还发现，如果电池发生短路，释放出所有储存的能量，理论上超级安全的全固态电池可能会释放出危险的热量

目前用于智能手表等小型电子设备的固态电池有可能比锂离子电池更安全、更强大，用于电动汽车和储存太阳能电池板的能量以备后用。然而，在固态电池普及之前，仍存在一些技术挑战。

桑迪亚国家实验室领导的一项研究于 3 月 7 日发表在科学杂志《焦耳》上，解决了其中一个挑战——长期以来人们一直认为添加一些液体电解质以提高性能会使固态电池不安全。相反，研究小组发现，在许多情况下，含有少量液体电解质的固态电池比锂离子电池更安全。他们还发现，如果电池发生短路，释放出所有储存的能量，理论上超级安全的全固态电池可能会释放出危险的热量。

“固态电池具有更安全的潜力，并且具有更高能量密度的潜力，”领导该论文研究的桑迪亚博士后研究员亚历克斯贝茨说。“这意味着，对于电动汽车，你可以在两次充电之间走得更远，或者需要更少的电池来进行电网规模的储能。添加液体电解质可能有助于弥合商业化的差距，而不会牺牲安全性。”

通过化学改进电池

固态电池有点像锂离子电池。在这两种情况下，锂离子从电池的一侧移动到另一侧，而电子则流过电路为设备供电。一个很大的区别是，在整个锂离子电池中，有一种物质可以帮助锂离子快速移动：液体电解质。

参与该项目的桑迪亚电池滥用测试实验室的电池安全专家 Loraine Torres-Castro 将液态电解质比作驶入车道的车队：它将锂离子直接运送到需要去的地方。然而，目前的液态电解质易燃，会导致电池爆炸或起火，尤其是在电池损坏时。

 

在固态电池中，液体电解质被称为固体电解质的固体材料取代，这也有助于锂离子快速移动。Bates 说，一项技术挑战是，虽然锂离子可以在固体电解质中快速移动，但它们很难从固体电解质移动到电极，反之亦然。固体电解质可以比作一列火车，同样快速地将锂离子穿梭到车站，但乘客仍然需要走更远的路才能回家。

科学家加速这种“直接穿梭”——从而提高电池充电速度和性能——的一种方法是在电池的正极添加一点液体电解质。

然而，该项目的桑迪亚电池可靠性专家 Yuliya Preger 表示，“在固态电池研究界，关于包​​含液体电解质以‘润滑车轮’的安全性存在很多争议。” 一些科学家说，任何数量的液体电解质都是不安全的。因此，我们进行了计算，以了解液体电解质可能产生的影响，而不是仅仅接受‘党派路线’。”

劳伦斯伯克利国家实验室的电池科学家史蒂夫哈里斯和桑迪亚电池科学家凯蒂哈里森首先质疑导致这项研究的“党派路线”。两人都参与了这项研究。

固态电池的安全性如何？

为了弄清楚带有少量液体电解质的固态电池的安全性，研究团队首先计算了锂离子电池、全固态电池和固态电池可以释放多少热量。具有不同数量液体电解质的电池。所有测试的电池都具有等量的储存能量。然后，他们研究了电池可能发生的三种不同的坏情况，以及由于每种类型的故障而释放的热量。

 

“我们首先确定三种电池中有多少化学能，”该项目的桑迪亚放热计算专家约翰休森说。“你能释放的能量是有限的，如果确实发生化学反应，这会将电池加热一定量。”

托雷斯-卡斯特罗说，第一个可能发生的坏事是电池起火——来自邻近的电池或周围的建筑物。在这些情况下，研究人员发现，含有少量液体电解质的固态电池产生的热量约为同类锂离子电池的五分之一——这取决于它含有多少液体电解质。在这种情况下，没有液体电解质的固态电池不会产生任何热量。

电池可能发生的第二件坏事是，如果反复充电和放电导致锂金属形成称为枝晶的“尖峰”。普雷格说，这种树枝状晶体可以在分离器上穿出一个孔，使两侧截然不同并导致短路。这是所有一侧有锂金属的电池的已知问题。在这种情况下，所有三个电池产生的热量都差不多，这取决于电池中锂金属的含量。

固态电池可能发生的第三件坏事是固态电解质可能会破裂。Torres-Castro 说，如果电池被压碎或刺破，或者由于在运行过程中产生压力，电池一侧的氧气会与另一侧的锂金属发生反应，就会发生这种情况。在这些情况下，没有液体电解质的固态电池可以达到接近锂离子电池的温度，这让团队感到惊讶。

从安全计算到实验室实验

“固态电池的承诺之一是它们是安全的，因为固态电解质坚固且不太可能破裂。但如果它真的破裂，温度升高可能与锂离子电池发生故障时一样多，”普雷格说。“这项研究强调了对分离器进行工程设计以使其不会失效的重要性。”

贝茨说，该项目的下一步包括对其他固体电解质材料进行类似的计算，并进行实验以验证新的和原始的计算。

他说：“我们发现，如果固态电池含有锂金属，无论是否含有液态电解质，它都有可能产生危险。” “我们在本文中试图指出的是，性能和安全性之间存在明确的权衡，但添加一点液体可能会大大提高性能，同时对安全性的影响很小。”

Torres-Castro 补充说，理解这种权衡可能有助于加速商业化。“明确和确信知道少量液态电解质不会造成巨大的安全问题可能有助于商业固态电池的发展。添加液态电解质可以解决他们的主要问题之一，即固态电解质界面。”

这项安全研究得到了能源部电力储能计划办公室的支持。