中國儲能網(wǎng)訊：鋰離子電池由于具有電壓高、能量密度高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)和無污染等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品、電動汽車和能源存儲等領(lǐng)域。然而，近年來關(guān)于鋰離子電池燃燒、爆炸而引發(fā)的安全事故屢見不鮮，嚴(yán)重打擊了消費(fèi)者信心，引起了人們對整個鋰電行業(yè)的恐慌及安全擔(dān)憂。因此，如何解決鋰電池所面臨的安全隱患引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。
重點(diǎn)內(nèi)容導(dǎo)讀
1.安全問題原因剖析
鋰離子電池多次發(fā)生燃燒安全事故，從外部原因分析，過充、過放、電池短路、熱沖擊、針刺等會導(dǎo)致鋰離子電池安全問題。從內(nèi)部原因分析，造成液態(tài)鋰離子電池安全問題的主要有如下幾點(diǎn)：
① 負(fù)極析鋰。
② 正極材料釋氧及結(jié)構(gòu)破壞。
③ 電解液分解和反應(yīng)。
④ 隔膜均勻性差及收縮破裂。
⑤ 高溫失效。
因此，滿足高能量密度、高安全性儲能電池技術(shù)的需要，開發(fā)理論上不易燃燒的固體電解質(zhì)，進(jìn)而發(fā)展出去替代傳統(tǒng)易燃、易爆的有機(jī)電解液的固態(tài)鋰電池，十分必要和迫切。
2、固態(tài)鋰電池關(guān)鍵材料及性能測試
2.1 固體電解質(zhì)
無機(jī)固體氧化物電解質(zhì)相比較液體電解質(zhì)具有十分優(yōu)異的安全性，其在火燒、水洗及外力擠壓條件下均能保持良好的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，不起火，不燃燒，如圖1所示。
圖1 無機(jī)固體氧化物電解質(zhì)火燒(a)、水洗(b)和外力擠壓(c)安全性測試
研制的氧化物柔性電解質(zhì)膜，與傳統(tǒng)PE隔膜、涂覆陶瓷PE隔膜及PET無紡布基膜相比，具有明顯的抗熱收縮性能（圖2）和耐高溫性（圖3）。
圖2 無機(jī)固體氧化物柔性電解質(zhì)膜與傳統(tǒng)隔膜不同高溫下(a)MD方向和(b)TD方向收縮性對比曲線
圖3 無機(jī)固體氧化物柔性電解質(zhì)膜180℃高溫收縮性對比測試
(a)濕法PE隔膜(b)濕法PE陶瓷涂覆膜(c)氧化物柔性電解質(zhì)膜(d)PET無紡布基膜
中科院寧波材料所前期對硫化物電解質(zhì)通過Zn，O雙摻雜的工藝手段，可以顯著提供其空氣中穩(wěn)定性，如圖4(a)所示，且高溫安全性好，電解質(zhì)LGPS材料經(jīng)過600 oC高溫，仍具備電解質(zhì)原來的晶體結(jié)構(gòu)，圖4(b)。
圖4 硫化物電解質(zhì)(a)空氣中穩(wěn)定性測試和(b)耐高溫安全性測試
2.2、固態(tài)鋰電池安全性
中科院寧波材料所試制了以氧化物固體電解質(zhì)膜的全固態(tài)鋰電池，該電池在彎折，剪切，甚至火燒情況下均能正常工作，圖5(a)。另外，通過無機(jī)電解質(zhì)層與有機(jī)電解質(zhì)層的復(fù)合能有效改善界面，在60oC工作溫度下循環(huán)1000周后仍具有90%以上的容量保持率，圖5(b)。
圖5 全固態(tài)鋰電池(a)安全性能演示和(b)長循環(huán)性能
中科院青島能源所制備的基于聚合物基固體電解質(zhì)的全固態(tài)鋰電池，在針刺試驗(yàn)中仍不起火、不爆炸，展現(xiàn)出極好的安全性（圖6）。此外，北京科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過“polymer-in-ceramic”的思路制備了有機(jī)/無機(jī)復(fù)合固體電解質(zhì)薄膜，表現(xiàn)出良好的阻燃性，組裝的全固態(tài)鋰電池在各種工況下具備極好的安全性，圖7。
圖6 全固態(tài)鋰電池針刺實(shí)驗(yàn)演示
圖7 固體電解質(zhì)膜阻燃性及固態(tài)鋰電池安全性能演示
2.3 大容量固態(tài)鋰電池性能測試
近年來，浙江鋒鋰新能源科技有限公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)一方面通過設(shè)計(jì)材料表面結(jié)構(gòu)原位構(gòu)造界面修飾層，另一方面探索電池生產(chǎn)制造工藝，在新型固體電解質(zhì)及其規(guī)模化穩(wěn)定制備方面均取得了一定的成果，在固態(tài)鋰電池器件構(gòu)建方面也有了較大的突破，并成功組裝了由表面修飾的三元NCM正極、固體電解質(zhì)及碳復(fù)合負(fù)極組成的12Ah級混合固液電解質(zhì)固態(tài)鋰電池，并對該電池進(jìn)行了循環(huán)測試和全面的安全性能測試。
2.3.1循環(huán)性能測試
在常溫25℃，截止電壓3~4.2V，充放電1C/1C的倍率下，首次放電容量9.86Ah，電芯循環(huán)1000周后電芯容量保持率達(dá)到90.3%，展示出良好的循環(huán)性能。
2.3.2安全性能測試
按照國標(biāo)測試標(biāo)準(zhǔn)，對12Ah混合固液電解質(zhì)鋰電池進(jìn)行安全測試，所有測試均以1C充滿電（至4.2V），在100%SOC狀態(tài)下進(jìn)行，測試結(jié)果表明固態(tài)鋰電池具有極高的安全性。
表1 混合固液電解質(zhì)鋰電池各項(xiàng)安全性能評估結(jié)果
3、結(jié)論
本文剖析了鋰電池安全問題產(chǎn)生的根本原因，并結(jié)合我們在固態(tài)鋰電池研究領(lǐng)域的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)淺析了解決鋰電池安全性問題的最佳方案。最后，通過對我們自主研發(fā)的12Ah固態(tài)鋰電池的安全性測試表明固態(tài)鋰電池具有極高的安全性。
團(tuán)隊(duì)介紹
浙江鋒鋰新能源科技有限公司（以下簡稱“浙江鋒鋰”）成立于 2017 年12月，注冊資本 2.5 個億，是專業(yè)致力于下一代新能源動力鋰電池（固態(tài)鋰電池）的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高科技企業(yè)。 公司具有強(qiáng)大的研發(fā)實(shí)力和雄厚的技術(shù)沉淀，匯聚了以原中科院寧波材料所研究員許曉雄博士為核心的近百人研發(fā)團(tuán)隊(duì)，其中碩士及以上學(xué)歷人員占比超過60%，技術(shù)水平得到了行業(yè)內(nèi)的充分肯定?！罢憬h鋰”技術(shù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年的研發(fā)創(chuàng)新，具有扎實(shí)的技術(shù)積累，已經(jīng)具備從混合固液電解質(zhì)固態(tài)鋰電池到全固態(tài)鋰電池的研發(fā)、試制及中試生產(chǎn)能力，即將建成我國第一條固態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)化中試生產(chǎn)線。
