科學(xué)家研發(fā)新型半固態(tài)電解質(zhì)，通過重新構(gòu)想的電池組件實現(xiàn)

據(jù)外媒報道，當(dāng)今的鋰電池由陰極，陽極和液體電解質(zhì)組成，該液體電解質(zhì)在充電和放電時在鋰離子之間來回傳遞。最近，科學(xué)家一直在研究電解質(zhì)的更多固態(tài)形式可能帶來什么，特別是在安全性方面。

新加坡的科學(xué)家們現(xiàn)在正在研究一種新型的半固態(tài)電解質(zhì)，這種電解質(zhì)可以提高鋰硫電池的安全性，鋰硫電池在儲能方面具有巨大的尚未開發(fā)的潛力。目前，這項研究發(fā)表在《納米能源》雜志上。

對于該領(lǐng)域的研究人員而言，一種工作可靠的鋰硫電池的前景（而不是目前普遍使用的鋰離子化學(xué)方法）令人興奮。這是因為它們每單位重量最多可以容納五倍的能量，但是主要障礙是它們提供的壽命短得多，而這些材料通常會迅速劣化并破裂。

因此，科學(xué)家們正在研究可以克服這一問題的新型電池架構(gòu)，最近又出現(xiàn)了一些有希望的突破。這些是通過重新構(gòu)想的電池組件實現(xiàn)的，這些組件包括混合陰極，完全固態(tài)的電解質(zhì)和新的橋接鍵，這些鍵為硫顆粒提供了“呼吸的空間”。

現(xiàn)在，NBL研究團隊設(shè)計出一種混合準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)，將Li7La3Zr2O12 （LLZO）薄片制成可以吸收液體電解質(zhì)的多孔膜。該團隊還開發(fā)了制備LLZO薄片的新方法，用于構(gòu)建電解質(zhì)框架，并將這種制作3D框架的一步法，命名為“紙杯蛋糕法”。

然后加熱該“杯子蛋糕”將導(dǎo)致形成液體注入的多孔膜，該膜由高導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性的片材組成。使用這種半固態(tài)的3D薄板堆疊作為電解質(zhì)，可以與陰極和陽極良好接觸，但可以使其在充電過程中保持穩(wěn)定。

研究人員青睞LLZO材料，是因其離子電導(dǎo)率高，而且具有優(yōu)異的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性。受益于非剛性結(jié)構(gòu)，這種電解質(zhì)可與電極保持良好接觸，并且在操作和電池組裝過程中，不易開裂，有利于提高電池的安全性和性能。另外，NBL半固態(tài)電解質(zhì)能在較大電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，與不同的鋰電池電極材料兼容，包括高壓正極。

制約鋰電池工業(yè)應(yīng)用的主要阻礙在于安全性。因為電池中的液體有機電解質(zhì)高度易燃，并且容易泄漏；另外，電池需要依賴熱性能和機械性能都不穩(wěn)定的電極分離器。雖然固態(tài)電解質(zhì)表現(xiàn)出改善鋰電池安全性能的潛力，但是，這種電解質(zhì)與電極接觸不良，離子電導(dǎo)率低，使電池的電導(dǎo)率和性能表現(xiàn)不佳。

負(fù)責(zé)研究團隊的Jackie Y. Ying教授說：“同時包含液體和固體成分的混合準(zhǔn)固體電解質(zhì)已成為切實可行的折衷方案，以在保持良好性能的同時獲得更安全的電池?！钡?，固體的高電阻到目前為止，組件已經(jīng)限制了這種電池的性能。為了克服這個問題，我們重新設(shè)計了固體成分的微觀結(jié)構(gòu)。我們的解決方案消除了電解質(zhì)泄漏，并且在熱和機械方面均穩(wěn)定。”

采用NBL新型電解液制成的鋰硫電池具有容量大、充放電速度快等優(yōu)點，穩(wěn)定了電池的性能。在試驗中，新型電解質(zhì)在1．5mg／cm2的負(fù)載密度下，獲得了顯著的速率能力（分別在1℃和2C℃下——515和——340mAh／g）。這是鋰硫混合準(zhǔn)固體電池所能達到的最高性能之一。

Ying表示：“我們發(fā)現(xiàn)基于3D片材的框架對于最佳電池性能至關(guān)重要。此外，我們的系統(tǒng)在極端溫度下也表現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性。這些結(jié)果說明了我們的片狀結(jié)構(gòu)作為其他半固態(tài)鋰電池框架的巨大潛力?！?/p>

什么是半固態(tài)電池？

半固態(tài)鋰電池，顧名思義，是指任一側(cè)電極不含液體電解質(zhì)，另一側(cè)電極含有液態(tài)電解質(zhì)的電池?；騿误w中固體電解質(zhì)質(zhì)量或體積占單體中電解質(zhì)總質(zhì)量或總體積之比的一半。

與現(xiàn)有鋰離子電池相比，半固態(tài)電池體積小，更加穩(wěn)定安全，可以實現(xiàn)更高的能量密度，成本也比鋰離子電池便宜得多。目前，不少電池企業(yè)在研發(fā)固態(tài)電池的進展上會先退而求其次，選擇先加快半固態(tài)電池的研發(fā)速度。

國內(nèi)半固態(tài)電池研發(fā)現(xiàn)狀

珈偉股份是國內(nèi)率先量產(chǎn)半固態(tài)電池的企業(yè)。2016年11月，珈偉股份設(shè)立珈偉龍能固態(tài)儲能科技如皋有限公司，投資6.6億元投資建設(shè)快充鋰電池生產(chǎn)線，采用的是半固態(tài)技術(shù)。

此外，國軒高科在2018年曾表示，公司半固態(tài)電池中試線并無具體產(chǎn)能要求，主要用于產(chǎn)品驗證與開發(fā)。若產(chǎn)品與技術(shù)均相對成熟，公司將持續(xù)提升相關(guān)新產(chǎn)品產(chǎn)能規(guī)模與比例。

2018年3月，國軒高科對外稱，半固態(tài)電池技術(shù)已處于實驗室向中試轉(zhuǎn)換階段。公司半固態(tài)電池樣品與加工工藝目前正在處于實驗室階段，計劃2019年建設(shè)中試線。

國外半固態(tài)電池研發(fā)現(xiàn)狀

除了前文提到的24M公司，美國一家名為Solid Energy Systems的固態(tài)電池研發(fā)公司也于2018年7月生產(chǎn)出了第一批半固態(tài)電池，預(yù)計將于2021年后應(yīng)用于電動汽車領(lǐng)域，目前將先應(yīng)用于無人機內(nèi)部。這批電池能量密度也是目前普通鋰離子電池的兩倍，而且可以重復(fù)充電23000次。

意大利的科研人員在半固態(tài)電池研發(fā)上也有突破：意大利博洛尼亞大學(xué)研究人員經(jīng)過8年努力，在2018年7月研發(fā)出了一種新型半固態(tài)氧流量鋰電池NESSOX。具有高達1兆瓦時/噸的能量密度，同時還可以像汽車“加油”一樣，在幾分鐘內(nèi)通過更換電池內(nèi)部液體電解質(zhì)完成充電。

責(zé)任編輯：gt