作為電動(dòng)汽車的“心臟”，動(dòng)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(zhǎng)等特點(diǎn)，頗受新能源汽車產(chǎn)業(yè)的青睞，市場(chǎng)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(fèi)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?dòng)車安全問題的新選擇。

固態(tài)電解質(zhì)成趨勢(shì)

“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(lái)大型動(dòng)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(duì)鋰離子電池儲(chǔ)能來(lái)說非常關(guān)鍵。”清華大學(xué)材料學(xué)院副教授李亮亮強(qiáng)調(diào)，“目前市場(chǎng)上商用的鋰離子電池一般都采用有機(jī)液態(tài)電液，它的缺點(diǎn)是易燃燒，還可能滲漏液體，造成環(huán)境污染。”

兩個(gè)月前在韓國(guó)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(jī)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(guó)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(huì)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(lái)電池發(fā)展的趨勢(shì)。”

技術(shù)瓶頸難突破

“高安全性是儲(chǔ)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(jī)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(guó)三星、日本豐田和我國(guó)寧德時(shí)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(cè)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(chǔ)能需求。”對(duì)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(jí)界面，電化學(xué)以及形變等因素都會(huì)導(dǎo)致接觸失效影響電池性能。

再次，長(zhǎng)期使用時(shí)穩(wěn)定性不理想也是長(zhǎng)壽命儲(chǔ)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(huì)隨時(shí)間發(fā)生退化，但退化對(duì)電池綜合性能的影響機(jī)制尚不明確，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(jī)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(duì)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(duì)記者說。

而面對(duì)發(fā)展過程中接連不斷的挑戰(zhàn)，各種新技術(shù)“百家爭(zhēng)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(diǎn)。“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(wú)機(jī)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(wú)機(jī)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(diǎn)主要集中在界面設(shè)計(jì)及修飾層上，目前凝膠化的界面設(shè)計(jì)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(duì)界面進(jìn)行修飾，增加接觸面積的同時(shí)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(wú)退化，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)也非常重要。”李亮亮談及固態(tài)電池未來(lái)的發(fā)展時(shí)表示，“因?yàn)閷?duì)儲(chǔ)能、新能源汽車等不同領(lǐng)域來(lái)說，需要有針對(duì)性的進(jìn)行電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。”

“總的來(lái)說，對(duì)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?yàn)橐恍╆P(guān)鍵技術(shù)涉及到各個(gè)企業(yè)核心技術(shù)而無(wú)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。