作為電動汽車的“心臟”，動力電池與目前大熱的新能源汽車一樣備受矚目。其中，鋰離子電池因其具有能量密度高、自放電率低、循環(huán)效率高，循環(huán)壽命長等特點，頗受新能源汽車產(chǎn)業(yè)的青睞，市場發(fā)展?jié)摿薮蟆５壳暗匿囯x子電池技術(shù)尚未成熟，安全性不穩(wěn)定的問題仍然存在，再加上電池“不定期起火”事故頻現(xiàn)，一直刺激著消費者們的神經(jīng)，而發(fā)展固態(tài)電池技術(shù)或?qū)⒊蔀槠平怆妱榆嚢踩珕栴}的新選擇。

固態(tài)電解質(zhì)成趨勢

“現(xiàn)在所使用的鋰離子電池成本較高，技術(shù)也不成熟，所產(chǎn)的鋰離子電池存在不少安全隱患。”哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授王振波表示。

據(jù)記者了解，近年來大型動力電池事故頻發(fā)，很大程度上是由于電池內(nèi)部使用液態(tài)電解質(zhì)。“是否安全對鋰離子電池儲能來說非常關(guān)鍵。”清華大學(xué)材料學(xué)院副教授李亮亮強調(diào)，“目前市場上商用的鋰離子電池一般都采用有機液態(tài)電液，它的缺點是易燃燒，還可能滲漏液體，造成環(huán)境污染。”

兩個月前在韓國靈巖發(fā)生的鋰離子電池設(shè)備起火事件似乎印證了這一說法。

“目前選擇使用的液態(tài)有機電解液易燃易爆，用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解液，是我們公認(rèn)可以提升鋰電池安全性能最為有效的方法之一。”中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所副研究員董衫木表示。

李亮亮告訴記者：“固態(tài)電解質(zhì)不易燃，還不會產(chǎn)生液態(tài)電解液，因此不帶腐蝕性，是解決電池安全性問題的有效方法，也符合未來電池發(fā)展的趨勢。”

技術(shù)瓶頸難突破

“高安全性是儲能電池應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提，固態(tài)化是解決二次電池安全性的最佳途徑。固態(tài)鋰電池已進(jìn)入全球加快布局和研發(fā)的階段，很多著名機構(gòu)都在開發(fā)固態(tài)鋰電池。”溫兆偉說。

記者了解到，包括韓國三星、日本豐田和我國寧德時代在內(nèi)的眾多電池和汽車廠商，都加大了固態(tài)電池研發(fā)投入，目前已有部分電池進(jìn)入裝車測試階段。盡管前景可期，但由于技術(shù)和工藝上的種種問題，發(fā)展固態(tài)電池的道路絕非一帆風(fēng)順。

首先，高效的電解質(zhì)材料體系缺乏。溫兆偉指出，目前固態(tài)電池材料發(fā)展很快，但綜合應(yīng)用較為欠缺。“作為固態(tài)電池的核心材料，目前在固體鋰離子導(dǎo)體的單一指標(biāo)上已有所突破，但綜合性能尚不能滿足大規(guī)模儲能需求。”對此，董衫木也認(rèn)為，“現(xiàn)今固態(tài)電池采用的固態(tài)電解質(zhì)普遍存在性能短板，距離高性能鋰離子電池系統(tǒng)的要求仍有不小的差距。”

其次，固態(tài)電解質(zhì)和電極的界面處理也是固態(tài)電池目前面臨的一大難題。“在固體電解質(zhì)中鋰離子傳輸阻抗很大，與電極接觸的剛性界面接觸面積小，在充放電過程中電解質(zhì)體積的變化容易破壞界面的穩(wěn)定。”李亮亮指出。此外，在固態(tài)鋰電池中，除了電解質(zhì)和電極之間的界面，電極內(nèi)部還存在復(fù)雜的多級界面，電化學(xué)以及形變等因素都會導(dǎo)致接觸失效影響電池性能。

再次，長期使用時穩(wěn)定性不理想也是長壽命儲能固態(tài)電池發(fā)展的瓶頸。“固態(tài)電池在服役過程中結(jié)構(gòu)與界面會隨時間發(fā)生退化，但退化對電池綜合性能的影響機制尚不明確，難以實現(xiàn)長效應(yīng)用。”溫兆偉說。

“固體電池接觸界面的失效行為以及背后的失效機理亟待闡明。”董衫木也表示，“我認(rèn)為，構(gòu)建高性能固態(tài)電池需要從兩方面入手，一是構(gòu)建高性能的固態(tài)電解質(zhì)，二是提高界面的相容性和穩(wěn)定性。

新技術(shù)層出不窮

“針對固態(tài)電池，我們要從最基礎(chǔ)的材料、界面、單體，一直到最終的系統(tǒng)模塊進(jìn)行研究，只有從根本上解決了關(guān)鍵材料和界面問題，才能開展系統(tǒng)的工藝研究，從而滿足單電池的性能要求。”溫兆偉對記者說。

而面對發(fā)展過程中接連不斷的挑戰(zhàn)，各種新技術(shù)“百家爭鳴”。記者日前了解到了一些固態(tài)電池技術(shù)的最新突破。

比如，在固體電解質(zhì)材料上，業(yè)內(nèi)發(fā)現(xiàn)基于石榴石結(jié)構(gòu)的鋰鑭鋯氧(LLZO)固體電解質(zhì)體系的固態(tài)電池具有優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能，它也因此成為一大技術(shù)熱點。“LLZO是一種性能優(yōu)異的填料，能夠提高聚合物基復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的性能。基于LLZO的固態(tài)電池循環(huán)1000次后容量仍能保持81%。”李亮亮介紹。

董衫木告訴記者了另一種電解質(zhì)材料思路——“剛?cè)岵?jì)”，使用剛性的聚合物骨架和無機顆粒與柔性的聚合物離子傳輸材料融合。“通過聚合物和聚合物之間，以及聚合物和無機顆粒之間的路易斯酸堿相互作用，可為鋰離子傳輸創(chuàng)造新通道，大幅提升電解質(zhì)的綜合性能。”

而界面處理的研究熱點主要集中在界面設(shè)計及修飾層上，目前凝膠化的界面設(shè)計已經(jīng)取得了較好成果。溫兆偉說：“通過凝膠態(tài)的聚合物對界面進(jìn)行修飾，增加接觸面積的同時還可以緩沖循環(huán)過程中的體積效應(yīng)，在室溫下經(jīng)過300次循環(huán)，基本無退化，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計較好的改善了電池性能。”

“除了固態(tài)電解質(zhì)和界面，固態(tài)電池一體化設(shè)計也非常重要。”李亮亮談及固態(tài)電池未來的發(fā)展時表示，“因為對儲能、新能源汽車等不同領(lǐng)域來說，需要有針對性的進(jìn)行電池結(jié)構(gòu)設(shè)計。”

“總的來說，對于固態(tài)電池的研究，目前還是偏學(xué)術(shù)多一些，在產(chǎn)業(yè)化方面，因為一些關(guān)鍵技術(shù)涉及到各個企業(yè)核心技術(shù)而無法獲取，導(dǎo)致基于工程化應(yīng)用方面的技術(shù)還是需要進(jìn)行進(jìn)一步探究。”溫兆偉說。