鉅大LARGE | 點擊量：521次 | 2021年12月13日
加州大學將溶液干燥獲得新型固態(tài)電解質(zhì) 可提高固態(tài)電池安全性能
隨著全球電動車浪潮席卷，關(guān)于固態(tài)電池的新聞越來越多：從Fisker宣稱開發(fā)充電1分鐘行駛500公里的固態(tài)電池，到寶馬已與SolidPower進行合作開發(fā)下一代電動車用固態(tài)電池，再到豐田又宣稱將在2025年前實現(xiàn)全固態(tài)電池的實用化。作為下一代電池技術(shù)的代表，固態(tài)電池引發(fā)市場高度關(guān)注。
固態(tài)電池是采用固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池。工作原理上，固態(tài)鋰電池和傳統(tǒng)的鋰電池并無區(qū)別：傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池被稱為“搖椅式電池”，搖椅的兩端為電池的正負兩極，中間為液態(tài)電解質(zhì)，鋰離子在電解液中遷移來完成正負極間的穿梭實現(xiàn)充放電，而固態(tài)電池的電解質(zhì)為固態(tài)，相當于鋰離子遷移的場所轉(zhuǎn)到了固態(tài)的電解質(zhì)中。固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心。
固態(tài)電解質(zhì)不可燃燒，極大提高電池安全性。與傳統(tǒng)鋰電池相比，全固態(tài)電池最突出的優(yōu)點是安全性。固態(tài)電池具有不可燃、耐高溫、無腐蝕、不揮發(fā)的特性，避免了傳統(tǒng)鋰離子電池中的電解液泄露、電極短路等現(xiàn)象，降低了電池組對于溫度的敏感性，根除安全隱患。同時，固態(tài)電解質(zhì)的絕緣性使得其良好地將電池正極與負極阻隔，避免正負極接觸產(chǎn)生短路的同時能充當隔膜的功能。
然而，要將固態(tài)電池推向市場，仍面臨很大的問題，即如何制造出既堅固耐用又足夠薄的電解質(zhì)，來作為良好的離子導體。在理想情況下，這些電解質(zhì)應該只有幾十微米厚，類似于今天鋰離子電池的隔板，但是大多數(shù)固體電解質(zhì)采用的是陶瓷材料，如果做得太薄，很容易破碎。
據(jù)外媒報道，加州大學圣地亞哥分校材料科學家PingLiu，以及馬里蘭大學和加州初創(chuàng)公司LioxPower研究人員，開發(fā)了一種制造固態(tài)電池電解質(zhì)的新技術(shù)。在制造過程中，通過對溶液進行干燥，形成離子導電復合材料，這種材料可同時作為電解質(zhì)和正極涂層。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
該電解質(zhì)溶液是一種含有β-硫代磷酸鋰(β-Li3PS4)的硫化物基材料。研究團隊通過多種方式來合成這種材料，包括使用不同的親核試劑、溶劑和機械支持物，但最關(guān)鍵的起始成分總是硫化鋰(Li2S)和硫化磷(P2S5)。所產(chǎn)生的β-Li3PS4溶液很清澈，在干燥時形成非常均勻的電解質(zhì)層，可以直接沉積在硫化鋰正極上。Liu說:“我們通過連續(xù)的過程來制造電池，而不需要分別制造單獨的層體，所以，不必費力處理非常薄的材料?！?/p>
傳統(tǒng)鋰離子電池和固態(tài)電池制造技術(shù)，通常是將單層電解質(zhì)堆疊組合在一起。這種能源密集型技術(shù)，需要用球磨機混合粉末與粘合劑，然后將其鑄造成板材，再通過高溫和高壓平臺，進行燒結(jié)或壓制。Liu的方法解決了這些問題。另外，研究人員對β-Li3PS4溶液進行調(diào)整，以防止枝晶生長，從而打造更安全的電池。
鋰枝晶的形成，是由于電場不均勻、表面化學或其他原因，導致鋰離子在負極表面發(fā)生不均勻沉積，從而形成針狀突起。如果任由枝晶形成，就會引起火災。CSIRO的Best稱：“負極上長出來的枝晶，與正極接觸，會引起局部過熱，溫度可能高達1500到2000攝氏度?！毖芯繄F隊開發(fā)的電解質(zhì)，可與枝晶自發(fā)反應，形成惰性產(chǎn)物，有助于防止電池短路。Liu說：“這與傷口上長疤的過程非常相似。因此，我們稱它為一種自我愈合和自我形成的機制?！?/p>
目前為止，研究人員已經(jīng)為這種獨特的電解質(zhì)制造技術(shù)申請了五項專利。研究團隊希望，在未來兩至三年內(nèi)，以每千瓦時低于100美元的成本，制造出容量為2Ah的固態(tài)電池工作原型，接近今天大多數(shù)智能手機電池的容量，進一步推進固態(tài)電池的商業(yè)化進程。
斯坦福大學研發(fā)不足10μm的固態(tài)電解質(zhì)
斯坦福大學崔屹課題組設計了一種全新的不足10μm的超薄、柔性、聚合物復合固體電解質(zhì)，可以確保全固態(tài)鋰離子電池的安全性能。
圖1.聚合物-聚合物SPE設計
要點1：設計理念
復合固態(tài)電解質(zhì)必須由堅固、不易燃的主體制成，采用具有垂直排列的納米通道和鋰離子導電SPE填料。高模量主體防止枝晶滲透，而對齊的通道增強SPE填料的離子導電性。復合電解質(zhì)的超薄和聚合物-聚合物性能使得全電池具有極大的柔韌性，低電解質(zhì)電阻和潛在的高能量密度。研究團隊采用高模量的納米多孔聚酰亞胺（PI）主體和PEO/鋰雙（三氟甲磺?；啺罚↙iTFSI）聚合物電解質(zhì)進行概念驗證，這種PI/PEO/LiTFSI固體電解質(zhì)中，超薄多孔PI基質(zhì)厚度僅8.6μm。
要點2：優(yōu)異性能
雖然商業(yè)鋰離子電池的理論能量密度接近480Whkg-1，但是當在計算中考慮金屬殼體，正負極集流器時，理論值減少一半。如果進一步考慮隔板和液體電解質(zhì)時，能量密度理論值還要進一步降低。然而，當使用PI/PEO/LiTFSI電解質(zhì)（246Whkg-1）時，全固態(tài)電池的能量密度與液體電解質(zhì)電池的能量密度相當，并且遠高于其他的電解質(zhì)電池。
全固態(tài)電池中超薄超輕的PI/PEO/LiTFSI（1.12mgcm-2）具有與隔膜/液體電解質(zhì)（1mgcm-2）相似的面積密度，確保其優(yōu)于其他固體電解質(zhì)系統(tǒng)。由于全固態(tài)LIB的電池外殼可能比液體電解質(zhì)LIB更簡單，所以固體聚合物-聚合物復合材料LIB的能量密度可能會更高。進一步，通過高容量鋰化學，例如硫和金屬鋰，可以實現(xiàn)更高的能量密度。
由于PI膜不易燃，力學強度高，即使經(jīng)過1000多小時的循環(huán)，也可持續(xù)防止電池短路，保證安全性。垂直通道可提高注入的離子電導率（30°C時為2.3×10-4Scm-1），基于PI/PEO/LiTFSI固體電解質(zhì)制造的全固態(tài)鋰離子電池在60°C時具有良好的循環(huán)性能（C/2速率下200次循環(huán)），并可承受彎曲，切割和釘子穿透等測試。
