電池安全—從鋰離子電池到固態(tài)電池

迄今為止，鋰離子電池（LIB）的應(yīng)用已經(jīng)從傳統(tǒng)的消費(fèi)電子產(chǎn)品擴(kuò)展到電動(dòng)汽車(chē)（EV）、儲(chǔ)能、特殊領(lǐng)域和其他應(yīng)用場(chǎng)景。鋰離子電池技術(shù)的快速發(fā)展和市場(chǎng)的不斷擴(kuò)張給電池安全帶來(lái)了巨大的壓力，一旦發(fā)生電池相關(guān)事故，可能會(huì)影響公眾安全。人們對(duì)與電池相關(guān)的事故（特別是在電動(dòng)汽車(chē)和儲(chǔ)能等新興應(yīng)用中）的關(guān)注一直在增加。此外，隨著電池容量的增加，這類(lèi)事故的規(guī)模顯著擴(kuò)大。電池相關(guān)事故的影響可能?chē)?yán)重降低消費(fèi)者在某些領(lǐng)域應(yīng)用的信心。因此，促進(jìn)電池安全對(duì)于使鋰離子電池在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛滲透和電池行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。
01 引言

迄今為止，鋰離子電池（LIB）的應(yīng)用已經(jīng)從傳統(tǒng)的消費(fèi)電子產(chǎn)品擴(kuò)展到電動(dòng)汽車(chē)（EV）、儲(chǔ)能、特殊領(lǐng)域和其他應(yīng)用場(chǎng)景。鋰離子電池的產(chǎn)能迅速增長(zhǎng)，從2011年的26 GW?h到2021年的747 GW?h，其中76%來(lái)自中國(guó)[1]。鋰離子電池在能量密度、功率密度、安全、成本等方面的性能也在提高，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的嚴(yán)格需求。鋰離子電池技術(shù)的快速發(fā)展和市場(chǎng)的不斷擴(kuò)張給電池安全帶來(lái)了巨大的壓力，一旦發(fā)生電池相關(guān)事故，預(yù)計(jì)將受到公眾的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，人們對(duì)與電池相關(guān)的事故（特別是在電動(dòng)汽車(chē)和儲(chǔ)能等新興應(yīng)用中）的關(guān)注一直在增加。此外，隨著電池容量的增加，這類(lèi)事故的規(guī)模顯著擴(kuò)大。電池相關(guān)事故的影響可能?chē)?yán)重降低消費(fèi)者在某些領(lǐng)域應(yīng)用的信心。因此，促進(jìn)電池安全對(duì)于使鋰離子電池在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛滲透和電池行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[2]。

研究人員和工程師從固有安全、被動(dòng)安全和主動(dòng)安全的角度提出了許多方法來(lái)處理鋰離子電池的安全問(wèn)題；在這些方法中，固態(tài)電池（SSB）的發(fā)展在涵蓋所有三種安全策略方面具有巨大的潛力。SSB采用更穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)來(lái)取代傳統(tǒng)鋰離子電池中的揮發(fā)性和易燃液體電解質(zhì)。從理論上講，使用固態(tài)電解質(zhì)有望提高電池的能量密度和其他性能指標(biāo)，同時(shí)將電池的安全性保持在一定的水平[3]。到目前為止，在世界范圍內(nèi)開(kāi)發(fā)SSB已經(jīng)做出了巨大的努力。

關(guān)聯(lián)視頻

歐洲、日本、美國(guó)和韓國(guó)已經(jīng)啟動(dòng)了支持SSB研發(fā)的國(guó)家項(xiàng)目，包括歐洲的電池2030+、日本的RISING3和Solid-EV、美國(guó)的電池500和韓國(guó)的K-電池2030。不同類(lèi)型的SSB，如硫化物、氧化物、薄膜和聚合物基電池，正在同時(shí)開(kāi)發(fā)[3?6]。加強(qiáng)與SSB安全性相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)研究和應(yīng)用研究，對(duì)于促進(jìn)SSB技術(shù)的成熟，最終建立市場(chǎng)非常重要。本文將對(duì)近年來(lái)發(fā)生的與鋰離子電池相關(guān)的事故進(jìn)行分析，描述這些事故的特點(diǎn)，并討論當(dāng)前提高鋰離子電池安全性的策略。此外，還將討論在材料、電池和系統(tǒng)級(jí)別上具有固有安全、被動(dòng)安全和主動(dòng)安全策略的電池設(shè)計(jì)中使用SSB的新機(jī)會(huì)。

02 電池相關(guān)事故簡(jiǎn)析

以電動(dòng)汽車(chē)電池為例，從事故時(shí)間、電池系統(tǒng)類(lèi)型、事故類(lèi)型、區(qū)域等方面對(duì)與電池相關(guān)的事故進(jìn)行了分析。其基本信息匯總?cè)鐖D1所示。

2019年1月至2021年8月期間涉及電動(dòng)汽車(chē)的火災(zāi)事故分析。（a）每月電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)事故數(shù)；（b）每年電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)事故數(shù)和電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量；（c）不同類(lèi)型鋰離子電池造成事故的比例。

（1）時(shí)間：從歷年相關(guān)事故數(shù)量來(lái)看，電池相關(guān)事故并沒(méi)有隨著電動(dòng)汽車(chē)保有量的快速增加而急劇增加，說(shuō)明電池技術(shù)和制造質(zhì)量水平取得了顯著進(jìn)步。大多數(shù)與電池相關(guān)的事故發(fā)生在6月、7月和8月，這說(shuō)明高溫條件是導(dǎo)致電池安全惡化的一個(gè)重要因素。

（2）電池系統(tǒng)：使用LiNixMnyCozO2（x + y + z = 1; NMC）作為陰極的LIB在電池相關(guān)事故中的比例明顯高于使用磷酸鐵鋰（LiFePO4, LFP）作為陰極的LIB，這表明能量密度與安全性之間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)性，即電池的能量密度越高，其安全風(fēng)險(xiǎn)越高。在LIB中，能量密度與安全性之間的矛盾是因?yàn)?，?dāng)更多的能量?jī)?chǔ)存在電極材料的化學(xué)鍵中時(shí)，化學(xué)穩(wěn)定性較差。

（3）事故類(lèi)型：在電池充電、汽車(chē)駕駛、電池濫用（如碰撞）期間，甚至當(dāng)電池處于靜態(tài)狀態(tài)時(shí)，都可能發(fā)生與電池相關(guān)的事故。這類(lèi)事故很少是由于汽車(chē)碰撞；在大多數(shù)公眾所知的事故中，冒煙、起火或爆炸的發(fā)生都沒(méi)有表面原因。這一看似不可預(yù)測(cè)的特征，不同于使用內(nèi)燃機(jī)的傳統(tǒng)汽車(chē)的安全相關(guān)行為，被公眾稱(chēng)為所謂的“電動(dòng)汽車(chē)自燃”，使消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的安全感到焦慮。

（4）地區(qū)：只有杭州、深圳、西安、上海、北京、重慶和武漢等城市報(bào)道了三起以上的電池相關(guān)事故。這與這些城市中的電動(dòng)汽車(chē)保有量大有關(guān)。

基于以上分析，可以發(fā)現(xiàn)：①電池相關(guān)事故的發(fā)生有一定的概率，可能受到各種因素的影響，如電池本身、熱管理系統(tǒng)、充電設(shè)備和操作環(huán)境，其中高溫環(huán)境的影響較大；②“非碰撞自燃”的存在抑制了消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的信心；③在報(bào)告數(shù)據(jù)中，能量密度高的NMC電池比LiFePO4電池發(fā)生事故的概率更大，表明較高的能量密度會(huì)降低電池的安全性。

03 提高電池安全性的最先進(jìn)的策略

目前，提高電池安全性的解決方案可分為以下三類(lèi)。

3.1 提高電池的固有安全性

電池的固有安全是指電池本身的安全性[7]，它直接決定了電池相關(guān)事故發(fā)生的概率。許多因素會(huì)影響電池的固有安全，包括電池中使用的材料（即NMC或LFP）、電池設(shè)計(jì)[即隔膜的厚度、陽(yáng)極和陰極的容量比（N/P比）]、制造質(zhì)量水平（即雜質(zhì)控制、制造精度）、電池的一致性和可靠性。以下策略可以用來(lái)提高電池的固有安全性：

? 提高生產(chǎn)質(zhì)量水平：良好的生產(chǎn)和制造質(zhì)量是電池安全的基礎(chǔ)。在過(guò)去的幾十年里，電池生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備得到了快速發(fā)展。目前，主要電池制造商可以將產(chǎn)品合格率控制在較高水平。下一代高能密度電池對(duì)制造的要求更高。因此，智能制造和工業(yè)4.0是主要電池制造商關(guān)注的重點(diǎn)。

? 提高電池材料的穩(wěn)定性：即使實(shí)現(xiàn)了高水平的制造質(zhì)量，高能量密度的NMC電池的內(nèi)在安全性能也明顯不如LFP電池，開(kāi)發(fā)高能量密度和高安全性的鋰離子電池仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)[8]。對(duì)于高能量密度電池，材料和電池層面的主要解決方案如下：①可以優(yōu)化表面涂層、摻雜、組分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提高陰極材料在高溫下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。近年來(lái)，在陰極表面涂覆具有高離子電導(dǎo)率的固體電解質(zhì)已經(jīng)受到了廣泛的關(guān)注，并被證明有潛力解決氧化物陰極材料的固有氧釋放問(wèn)題。②不易燃溶劑和阻燃添加劑可以用來(lái)提高電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性和減少熱失控規(guī)模。③可以控制形成過(guò)程，并可以設(shè)計(jì)人工固體電解質(zhì)中間相（SEI）界面來(lái)提高SEI的熱穩(wěn)定性，從而提高電池在高溫下的耐久性。④可以開(kāi)發(fā)出理論上具有更高安全性的新型電池系統(tǒng)，如SSB和水系電池。然而，新技術(shù)在電池工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用往往需要數(shù)年甚至幾十年的時(shí)間和精力，而這些系統(tǒng)仍在開(kāi)發(fā)之中。

3.2 保證電池安全的被動(dòng)策略

被動(dòng)安全的主要思想是使電池始終保持在一個(gè)安全范圍內(nèi)，并通過(guò)冗余設(shè)計(jì)將電池?zé)崾Э氐挠绊懣刂圃谝粋€(gè)較小范圍內(nèi)，而不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。目前，被動(dòng)安全主要是通過(guò)電池系統(tǒng)的熱管理來(lái)實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)是散熱、保溫、隔熱[9]。

? 散熱：為了保證電池的溫度不超過(guò)正常工作溫度的上限，電池內(nèi)產(chǎn)生的熱量（特別是在大功率工作時(shí)）應(yīng)立即散熱。風(fēng)冷和水冷在早期取代自然冷卻，可以大大提高電池的冷卻效率。

? 保溫/預(yù)熱：除了在高溫下的安全風(fēng)險(xiǎn)外，當(dāng)電池在低溫下運(yùn)行時(shí)，鍍鋰和局部過(guò)充電也是關(guān)鍵問(wèn)題，大大降低了電池的固有安全性。因此，當(dāng)電池在低溫下運(yùn)行時(shí)，需要進(jìn)行預(yù)熱，以確保電池高于臨界溫度。目前，預(yù)熱的主要方法是使用安裝在電池組底部的加熱膜來(lái)加熱電池。更高效和更少能耗的加熱方法，如電池自加熱、相變加熱或熱泵加熱正在開(kāi)發(fā)中。

? 隔熱：隔熱是被動(dòng)安全的另一個(gè)重要方面。隔熱的核心思想是減少電池?zé)崾Э氐挠绊?，防止單個(gè)電池的熱失控引起熱量擴(kuò)散，防止電池的熱失控進(jìn)一步發(fā)展為電池系統(tǒng)的燃燒和爆炸。這是目前電動(dòng)汽車(chē)企業(yè)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)終身不燃燒的最有效的核心手段。具體的策略包括在電池之間使用隔熱材料、蜂窩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及隔熱材料的模塊化。最終的目標(biāo)是確保單個(gè)電池的熱失控不會(huì)觸發(fā)電池系統(tǒng)內(nèi)的熱失控傳播，從而導(dǎo)致電動(dòng)汽車(chē)起火。

3.3 保證電池安全的主動(dòng)策略

主動(dòng)安全的核心思想是使用內(nèi)置或外部傳感器監(jiān)測(cè)電池中與安全問(wèn)題相關(guān)的特征標(biāo)志，并在電池即將失去熱量控制之前發(fā)出警告，從而使系統(tǒng)及時(shí)停止工作。主動(dòng)安全可以通過(guò)大數(shù)據(jù)和“小數(shù)據(jù)”的幫助來(lái)實(shí)現(xiàn)。大數(shù)據(jù)的理念是構(gòu)建一個(gè)云平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并提前識(shí)別異常電池。目前使用的云平臺(tái)的主要功能是識(shí)別單個(gè)電池的電壓與所有電池的整體平均電壓之間的偏差，從而挑出異常電池，發(fā)出早期預(yù)警。中國(guó)最具代表性的云平臺(tái)是由北京理工大學(xué)建立的國(guó)家新能源汽車(chē)監(jiān)測(cè)和管理平臺(tái)，其框架是基于香農(nóng)熵算法[10]構(gòu)建的。

但是，由于硬件和軟件的局限性，目前云平臺(tái)所能處理的數(shù)據(jù)僅限于電壓信號(hào)，并且由于實(shí)時(shí)采樣率較低（每30 s采取一個(gè)數(shù)據(jù)），很難識(shí)別電壓信號(hào)的變化率。因此，早期預(yù)警是大數(shù)據(jù)平臺(tái)的主要目的。“小數(shù)據(jù)”，即電壓、電流、電阻、溫度和信號(hào)變化率的數(shù)值，在預(yù)警過(guò)程中起著重要作用。由于熱失控不可避免地伴隨著特征反應(yīng)，某些特征參數(shù)及其變化速率可以作為電池?zé)崾Э匕l(fā)生的預(yù)警。最典型的參數(shù)是溫度和電壓信號(hào)。當(dāng)電池的溫度、電壓和電阻低于臨界值時(shí)，或者當(dāng)這些參數(shù)的變化率高于臨界值時(shí)，電池系統(tǒng)會(huì)發(fā)出熱失控報(bào)警。最近有研究表明，電池在熱失控的早期階段會(huì)釋放出特征氣體[11]，因此這些特征氣體的含量或變化率以及電池內(nèi)的壓力可以作為電池?zé)崾Э氐膱?bào)警信號(hào)。一個(gè)很好的例子是鄭州大學(xué)開(kāi)發(fā)的儲(chǔ)能發(fā)電站氫預(yù)警系統(tǒng)，它可以在熱失控發(fā)生前10 min對(duì)電池?zé)崾Э剡M(jìn)行預(yù)警[12]。

04 SSB的安全特性和使用機(jī)會(huì)

SSB的形式因其材料系統(tǒng)和電池設(shè)計(jì)而不同。SSB有望大大提高電池系統(tǒng)的固有安全性，并擴(kuò)大被動(dòng)和主動(dòng)安全策略的設(shè)計(jì)空間。正在開(kāi)發(fā)的SSB根據(jù)其所應(yīng)用的電解質(zhì)可分為四種類(lèi)型：聚合物基、薄膜基、硫化物基和氧化物基SSB。圖2總結(jié)了它們的典型化學(xué)成分、特性和改進(jìn)策略。我們將從如圖3所示的材料、電池和系統(tǒng)的三個(gè)方面來(lái)討論SSB在提高電池安全性方面可能具有的優(yōu)勢(shì)。

不同固體電解質(zhì)作用下SSB的開(kāi)發(fā)進(jìn)展。PEO-LiFSI：聚環(huán)氧乙烷溶解Li[N(SO2F)2]；LiPON：氮磷鋰；LCO：LiCoO2；LNM：LiNi0.5Mn1.5O4；LPS：Li3PS4；LPSCl：Li6PS5Cl；LLZO：Li7La3Zr2O12；NASICON：鈉超離子導(dǎo)體，包括Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3和Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3；NIMTE：中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所；Julich：德國(guó)朱利希研究中心。

圖3 材料、電池和系統(tǒng)級(jí)別的材料和電池設(shè)計(jì)的變化為SSB的電池安全設(shè)計(jì)策略提供了新的機(jī)會(huì)。

4.1 材料層面

4.1.1. 降低系統(tǒng)的整體熱力學(xué)能

由于固體電解質(zhì)的熱力學(xué)穩(wěn)定性高于液體電解質(zhì)，因此SSB在高溫下不會(huì)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)其他主要成分相同，只考慮各成分在空氣中回到最穩(wěn)定狀態(tài)后釋放的能量時(shí)，增加固體電解質(zhì)含量，減少液體電解質(zhì)含量，將降低整個(gè)電池系統(tǒng)完全熱失控所釋放的總能量，縮小整體事故危害的規(guī)模。

4.1.2. 提高熱穩(wěn)定性

由于固體電解質(zhì)不太可能參與燃燒反應(yīng)，可以顯著提高SSB界面的穩(wěn)定性[13]，從而提高自發(fā)反應(yīng)和熱失控閾值溫度，拓寬SSB的安全邊界。導(dǎo)致多相界面穩(wěn)定性提高的主要原因是固體電解質(zhì)涂層或原位形成導(dǎo)致了穩(wěn)定的SEI和陰極-固態(tài)電解質(zhì)間相（CEI），這可能會(huì)延遲電池的初始自放熱溫度[14]。對(duì)于全固態(tài)電池（ASSB），電極和電解質(zhì)界面可能具有更高的熱穩(wěn)定性。Chen等[15]最近的研究表明，即使對(duì)于鋰金屬陽(yáng)極，氧化物電解質(zhì)和鋰陽(yáng)極之間的初始反應(yīng)溫度也高于250 ℃，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液體電解質(zhì)和鋰陽(yáng)極之間的初始反應(yīng)溫度（一般為60~120 ℃）。這一發(fā)現(xiàn)表明，雖然在高溫下熱失控可能無(wú)法完全避免，但金屬鋰在SSB中比在液體鋰離子中具有更好的安全性能。

4.1.3. 延緩反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

由于大多數(shù)固體電解質(zhì)在鋰陽(yáng)極下是穩(wěn)定的，因此即使SEI已經(jīng)分解，電極和固體電解質(zhì)之間的反應(yīng)也不會(huì)繼續(xù)發(fā)生。此外，在電極材料上的固體電解質(zhì)涂層也可以防止自發(fā)的表面反應(yīng)。最近的研究表明，SSB中固體電解質(zhì)可能減緩電極材料和電解質(zhì)的反應(yīng)[16]，從而可能會(huì)延遲電池系統(tǒng)的溫度升高，避免加速放熱反應(yīng)到熱失控，并提供一個(gè)更長(zhǎng)的電池安全警告響應(yīng)時(shí)間。

4.2 電池層面

4.2.1. 阻斷陰極和陽(yáng)極之間的化學(xué)串?dāng)_

由于固體電解質(zhì)致密，通過(guò)合理的電池設(shè)計(jì)可以延遲或阻止陰極釋放的氧氣或陽(yáng)極產(chǎn)生的氫氣的擴(kuò)散，從而避免電池內(nèi)部的化學(xué)串?dāng)_，提高SSB的固有安全特性。

4.2.2. 提高耐熱濫用的耐久性

基于上述材料層面的分析，固體電解質(zhì)的引入可以有效提高SSB耐熱濫用的能力，預(yù)計(jì)熱箱試驗(yàn)的安全溫度可超過(guò)200 ℃。固體電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口有利于提高其抗電濫用特性。由于隔膜（固體電解質(zhì)或涂有固體電解質(zhì)的隔膜）的高強(qiáng)度，當(dāng)電池發(fā)生機(jī)械損傷時(shí)，可以避免嚴(yán)重的內(nèi)部短路，提高抗機(jī)械濫用的特性。此外，固體電解質(zhì)對(duì)鋰金屬的高穩(wěn)定性可以有效降低快速充電過(guò)程中鍍鋰的風(fēng)險(xiǎn)，避免使用液體電解質(zhì)的鋰電池發(fā)生嚴(yán)重的熱失控[17]。

4.2.3. 啟用雙極式設(shè)計(jì)

雙極式設(shè)計(jì)要求電解質(zhì)的流動(dòng)性有限，以避免自放電；因此，它們只能在SSB中實(shí)現(xiàn)。雙極電池可能有更好的安全性，因?yàn)樗鼈冊(cè)谶\(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生更少的熱量，從而減少了施加在熱管理系統(tǒng)上的壓力，促進(jìn)了更大電池的設(shè)計(jì)。此外，電池串聯(lián)組裝在雙極式電池中，因此當(dāng)SSB遇到電氣和機(jī)械濫用（如快速充電和碰撞引起的短路）時(shí)，可以大大降低安全風(fēng)險(xiǎn)[18]。

4.2.4. 提高制造的可靠性

由于SSB具有較高的整體電學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械強(qiáng)度，它們對(duì)電極的退化、過(guò)充和過(guò)放電、鋰金屬枝晶的產(chǎn)生以及雜質(zhì)引起的短路具有較高的安全耐受性，這可以降低電池制造缺陷造成的事故風(fēng)險(xiǎn)，提高制造可靠性。

4.3 系統(tǒng)層面

4.3.1. 減少電池系統(tǒng)中的熱失控?cái)U(kuò)散

由于SSB不含或含有有限數(shù)量的液體電解質(zhì)，因此電池系統(tǒng)中不會(huì)產(chǎn)生大量的可燃?xì)怏w，從而避免外燃，減少電池?zé)崾Э刂袩崃繑U(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)。此外，SSB相對(duì)較慢、較低地產(chǎn)生熱量，有利于防止電池間的熱失控傳播，有效地保證了電池系統(tǒng)的整體安全。

4.3.2. 被動(dòng)安全：增加熱管理冗余

由于SSB具有較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性，因此可以擴(kuò)展系統(tǒng)的安全工作溫度范圍。此外，界面副反應(yīng)自釋放熱可能會(huì)降低，雙極式電池的設(shè)計(jì)可以減少電池系統(tǒng)的熱量產(chǎn)生，從而更容易實(shí)現(xiàn)高效散熱。另外，由于不會(huì)發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏，預(yù)計(jì)可以提高絕緣設(shè)計(jì)的效率和系統(tǒng)的完整性。

4.3.3. 主動(dòng)安全：延長(zhǎng)預(yù)警時(shí)間

由于SSB的熱故障升溫速率較低，電池系統(tǒng)從發(fā)生異常狀態(tài)，檢測(cè)到異常溫度、電壓和力學(xué)信號(hào)到完成熱失控可能會(huì)經(jīng)歷較長(zhǎng)的時(shí)間，因此預(yù)警系統(tǒng)可能具有較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間。

4.3.4. 主動(dòng)安全：?jiǎn)⒂酶呒?jí)感知器警告系統(tǒng)

內(nèi)置的傳感器不適合液體鋰離子電池，因?yàn)橐后w有機(jī)電解質(zhì)通常對(duì)傳感器具有腐蝕性。這個(gè)問(wèn)題將在SSB中得到解決，從而實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)的終身高精度現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

05 結(jié)論

綜上所述，盡管鋰離子電池技術(shù)還在不斷進(jìn)步，各種安全策略的應(yīng)用顯著提高了電池的安全性和可靠性，但液體電解質(zhì)仍然是進(jìn)一步提高鋰離子電池的能量密度和安全性的瓶頸。理論上，SSB具有顯著提高固有安全性的潛力，從而減少了對(duì)被動(dòng)安全和主動(dòng)安全措施的需要，如圖4所示。隨著先進(jìn)的雙極式電池設(shè)計(jì)和鋰金屬陽(yáng)極的應(yīng)用，SSB是實(shí)現(xiàn)高能量密度和高安全性的一種可行的技術(shù)途徑。目前，固體電解質(zhì)的電導(dǎo)率可以滿足電池應(yīng)用的基本要求。

圖4 從LIB（a）移動(dòng)到SSB（b）時(shí)，固有安全、被動(dòng)安全和主動(dòng)安全的變化。

關(guān)鍵的瓶頸是固體電解質(zhì)和電極界面在許多方面（即化學(xué)、電化學(xué)、機(jī)械）的穩(wěn)定性，以及電池的整體制造，仍需要巨大的突破。一種可能的途徑是通過(guò)逐漸減少電池中液體電解質(zhì)的比例（即通過(guò)原位聚合混合固液電池），從鋰離子電池逐漸過(guò)渡到SSB，并最終得到ASSB。該技術(shù)路線的可行性已得到部分驗(yàn)證；例如，北京威獅新能源技術(shù)有限公司已成功實(shí)現(xiàn)了混合固液電池（360 W?h?kg-1）批量生產(chǎn)。這些電池將在今年年底前安裝在電動(dòng)汽車(chē)上。然而，由于各種技術(shù)路線仍在競(jìng)爭(zhēng)，必須綜合研究其安全失效行為和機(jī)理，以確定切實(shí)可行的SSB技術(shù)路線，在實(shí)際批量生產(chǎn)的早期積累足夠的科學(xué)知識(shí)，確定安全特性，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的保護(hù)和預(yù)警措施，這將有助于推到SSB的快速應(yīng)用。

審核編輯：劉清