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不起火，不爆炸！ 高比能、高安全性鋰電池未來可期
2022年04月08日 09:38:43
來源：化工儀器網 作者：羊舌木 點擊量：5647
相信在未來，鋰電池的一些缺陷也都會被科學家們發現的新方法所填補，盡可能地為社會帶來一種趨近于“完美”的能源。
【化工儀器網 行業百態】當今社會，鋰離子電池已經成為我們生活中不可缺少的一部分，無論是手機，還是數碼相機或是筆記本電腦，其中都少不了鋰電池的身影。在推動碳達峰碳中和背景下，加速動力系統電動化成為新能源汽車發展的必然趨勢，而鋰電池同樣也是新能源汽車動力系統的關鍵技術。
由于鋰電池其電壓高、容量大、循環性能好等優點而在眾多電池中脫穎而出，成為了相當有理想、有前途的一種電池。這種電池不但可以反復充放電，并且可以持續保持高電容量。同時，從我國市場端來看，鋰電池是十分適應我國發展趨勢的，充電樁、換電站已經隨處可見，在基礎設施建設上的捆綁也讓鋰電獲得了其他產業所不具備的優勢。
十多年來，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年前三季度國內新能源乘用車銷量為182.1萬輛，同比高增超過200%。從我國新能源汽車的普及到呈爆發式增長的需求就可以看出國民對鋰電的認可，且鋰電的發展已經有了趨勢，這就使鋰電無法輕易被別的能源所快速取代。
但其實，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，近些時間來，鋰電池的自燃、爆炸等電池熱失控現象頻頻發生，熱失控事故已經成為制約鋰離子電池進一步推廣與規模化應用的瓶頸問題，提高電池安全性也成為新能源產業健康持久發展的先決條件。
中科院青島生物能源與過程研究所固態能源系統技術中心一直深耕于構建高比能、高安全性鋰電池體系，他們將揭示電池熱失控機理和開發高安全性電池體系設為關鍵客體，并在其中取得了突破性的發展。他們通過滴定-質譜聯用的手段，證明了鋰金屬負極氫化鋰(LiH)的存在，并且定量分析出了LiH的積累量與實際鋰金屬電池的可循環性呈負相關，揭示了鋰金屬電池失效的關鍵機理。
同樣，在充分總結電池材料熱穩定性及其熱特性基礎上，科研人員提出電池材料(電極材料/電解質/添加劑等)之間的熱兼容性對電池安全性至關重要，該團隊通過原位/非原位耦合手段對三元高鎳電池(NCM523)失效機理進行了材料-電池層級的探索，開創性地在NCM三元電池負極側發現H-離子的存在，且證實了該組分與電解液具有較差的熱兼容性，成為誘導電池升溫過程中鏈式放熱反應的主要觸因。他們還證明了石墨負極側產生的H2可穿梭至正極側，從而加速劇烈放熱行為，成為引發電池熱失控的關鍵觸因。
不僅如此，固態能源系統中心科研人員還系統地研究了鋰硫(Li-S)軟包中電解質/電極的熱兼容性、多硫化物穿梭對電池熱安全的影響以及電解質的分解路線。金屬鋰負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，相當具有商業潛力。該團隊揭示了Li-S電池的放熱鏈式反應，同時還發現，在Li-S體系中，硫正極升華、熔化以及負極鋰金屬熔融導致正負極在高溫下發生串擾反應所致。這項研究對Li-S體系熱失控路徑的細致剖析將為構建下一代高比能、高安全性電池體系提供有益啟發。
無獨有偶，加州大學伯克利分校Gerbrand Ceder教授與三星美國研究院王琰團隊也關注到了鋰離子電池的安全問題，有機液態電解液的泄漏和易燃問題一直是鋰離子電池的一個重大安全隱患。他們發現使用無機固態電解質替代有機液態電解液可以從根本上解決這一問題、提升電池的安全性能，對此該團隊成功合成出了一種新型的快離子導體材料LiGa(SeO3)2，該材料在室溫下的體相鋰離子導率可以達到0.11 mS/cm。
研究團隊還發現共頂點骨架結構中鋰離子配位環境畸變程度更大，配位環境的畸變導致了鋰離子穩定位點的能量升高，進一步導致了鋰離子遷移活化能的降低，提高了鋰離子的遷移活性。他們還認為，共頂點結構中鋰離子的遷移位點與高價陽離子距離較遠，感受到的高價陽離子排斥作用更弱，這也有利于鋰離子的快速遷移。這些發現最重要的意義就在于揭示了氧化物鋰離子導體的結構特點，這為新型鋰離子導體材料的開發提供了較為明確的方向，并且降低了尋找新型固態電解質的門檻，進而有望加速固態電池的研發及應用。
近日來，我國政府部門不斷發布《“十四五”能源領域科技創新規劃》、《關于推進共建“一帶一路”綠色發展的意見》、《“十四五”生態保護監管規劃》等相關政策條例，為積極響應綠色環保健康發展而不斷推陳出新。這種具備高功率承受力，同時不論生產、使用和報廢，都不含有、也不產生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元素和物質的綠色環保電池，無疑是十分契合我國發展戰略的。相信在未來，鋰電池的一些缺陷也都會被科學家們發現的新方法所填補，盡可能地為社會帶來一種趨近于“完美”的能源。
(資料參考來源：科技日報、知網)
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