鉅大LARGE | 點擊量：393次 | 2023年02月21日
剛柔并濟可解安全問題 動力鋰離子電池研發(fā)取得進展
安全、可靠的動力鋰電池是制約新型近零排放汽車產業(yè)的瓶頸，也是新能源汽車的短板之一?，F(xiàn)有的鋰離子電池液體電解質體系，不能滿足動力鋰電池對高能量、高功率和安全性等多方面的要求。青島儲能產業(yè)技術研究院研發(fā)團隊提出了剛柔并濟的研發(fā)思路，開發(fā)出一系列新型聚合物電解質體系，很好地解決了上述瓶頸問題，同時大幅提升了安全使用性能。
剛柔并濟解安全問題動力鋰電池研發(fā)取得進展
隨著全球能源短缺、環(huán)境污染不斷加劇，大力開發(fā)以純電動汽車為代表的新型近零排放汽車是國家確定的發(fā)展戰(zhàn)略之一。、安全、可靠的動力鋰電池是制約新型近零排放汽車產業(yè)的瓶頸，也是新能源汽車的短板之一。當前動力鋰電池存在的大安全隱患是電池熱失控，我國科學院青島生物能源與過程研究所青島儲能產業(yè)技術研究院在開發(fā)高安全性動力鋰電池聚合物電解質材料體系解決該安全問題方面取得了階段性進展，并正快速推進其產業(yè)化進程。
現(xiàn)有的鋰離子電池液體電解質體系，不能滿足動力鋰電池對高能量、高功率和安全性等多方面的要求。青島儲能產業(yè)技術研究院研發(fā)團隊提出了剛柔并濟的研發(fā)思路，開發(fā)出一系列新型聚合物電解質體系，很好地解決了上述瓶頸問題，同時大幅提升了安全使用性能。剛柔并濟就是使用剛性骨架材料，如聚酰亞胺、芳綸、聚芳砜酰胺、玻璃纖維和纖維素等（NanoEnergy,2014,10,277-287;SolidStateIonics,2013,245-246,49-55；232,44-48;JournaloftheElectrochemicalSociety,2013,161,A1032-A1038;ProgressinPolymerScience,2015,43,136-164）無紡布材料，改善電池的力學性能和尺寸熱穩(wěn)定性能；利用柔性離子傳輸材料，如聚環(huán)氧乙烷(PEO)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、氰基丙烯酸酯和聚碳酸丙烯酯（PPC）等賦予優(yōu)異的離子傳導性和界面穩(wěn)定性，通過并濟即兩種或多種材料復合達到多贏的效果，實現(xiàn)綜合性能的大幅提高，進而滿足動力鋰電池的要求。
敬天惜物、取法自然，該研究探究剛柔并濟的復合聚合物電解質體系，實現(xiàn)剛柔的對立統(tǒng)一，來實現(xiàn)力學強度、耐熱性能、電位窗口、界面穩(wěn)定性和離子導電率等綜合性能的提升。
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%
傳統(tǒng)的偏氟乙烯類體系雖然具有高的穩(wěn)定性和較高的電位窗口等優(yōu)點，但離子導電率較低、濕態(tài)下其力學強度和熱穩(wěn)定性很差，為改善傳統(tǒng)的偏氟乙烯類的凝膠聚合物電解質的性質，研究團隊采用其與聚酰亞胺和聚砜酰胺等無紡布材料納米尺度復合，剛柔并濟、渾然一體，提升尺寸熱穩(wěn)定性和力學強度，實現(xiàn)其綜合性能的提升（JournaloftheElectrochemicalSociety,2013,160,A769-A774;MacromolecularMaterialsandEngineering,2013,298,806-813；ACSAppl.Mater.Interfaces,2013,5,128-134）；針對其鋰離子遷移系數(shù)低的問題，研發(fā)了新型的單離子聚合物硼酸鋰鹽作為表面增強材料（CoordinationChemistryReviews,2015,292,56-73；JournalofMaterialsChemistryA,2015,3，7773-7779）提高其離子遷移數(shù)和相容性，剛柔并濟、相輔相成提升電池系統(tǒng)綜合性能。
傳統(tǒng)的聚丙烯腈的聚合物電解質具有較高的離子導電率優(yōu)點，但物性較脆，加工性能不好，研發(fā)團隊采用新型的聚合物電解質基體（ACSAppl.Mater.Interfaces,2015,7,4720-4727；Electrochim.Acta2015,157,191-198；Electrochem.Comm.DOI:10.1016/j.elecom.2015.10.009），結合剛柔并濟的設計理念，實現(xiàn)了腈基聚合物電解質加工性能等綜合性能的提升。
圖2室溫聚碳酸酯基全固態(tài)聚合物電解質的制備流程圖
凝膠的聚合物電池在提高動力鋰電池的安全性方面起了重要的用途，但仍采用少量易揮發(fā)和燃燒的碳酸酯類溶劑，在高溫或極端條件下使用時仍存在一定的安全隱患，難以完全滿足電動汽車對動力鋰離子電池在高能量和安全性能等方面的苛刻要求。因此，開發(fā)新型高安全性全固態(tài)電解質體系對提升高能量密度動力鋰離子電池的綜合性能具有重要意義。
針對傳統(tǒng)的PEO體系的較低的電位窗口和較差的尺寸熱穩(wěn)定性和力學強度，研究人員采用高電位的氰基丙烯酸酯作為提升電位窗口的材料；同時采用熱固性的纖維素無紡膜作為剛性骨架，供應尺寸熱穩(wěn)定性和部分改善力學強度，開發(fā)出一款力學強度高、電化學窗口寬以及尺寸熱穩(wěn)定性好的高安全性全固態(tài)聚合物電解質，相關研究成果發(fā)表在國際期刊（ScientificReports,2014,4,6272)。針對PEO的室溫離子導電率較低的瓶頸問題，研究人員立足科學問題本身，從影響離子電導率的分子結構出發(fā)，結合離子傳輸機理與動力學傳輸?shù)亩喑叨葯C制，設計出一款無定形的聚碳酸酯基室溫全固態(tài)聚合物電解質，經表征發(fā)現(xiàn)：該款全固態(tài)聚合物電解質室溫電導率可達到10-4S/cm數(shù)量級，電化學窗口為4.6V，倍率性能較好，室溫長循環(huán)1000圈容量保持率為90%。相關研究成果發(fā)表在國際期刊(AdvancedEnergyMaterials,DOI:10.1002/aenm.201501082)。
該研究團隊制備的全固態(tài)聚合物鋰離子電池用針刺試驗驗證其安全性能(圖3）。通過測試發(fā)現(xiàn)：組裝的6Ah大容量三元體系全固態(tài)聚合物鋰離子電池顯示出的安全性能，經四次針刺后，全固態(tài)鋰離子電池不起火，不爆炸，這是傳統(tǒng)的液態(tài)鋰離子電池所無法比擬的。這再次證明剛柔并濟電解質體系在提升高能量密度鋰離子電池安全性能方面的優(yōu)勢。
