鋰離子電池安全難題或有新解

文／劉利彬

隨著人類對能源的消耗日益增加，環(huán)境污染與能源短缺危機(jī)也愈演愈烈，發(fā)展清潔可再生能源對人類社會可持續(xù)發(fā)展有著越來越重要的意義。充分利用可再生能源、大力發(fā)展電動汽車產(chǎn)業(yè)，已被列入我國新興產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的國家戰(zhàn)略。

近日，國務(wù)院發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》指出，發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強(qiáng)國的必由之路，是應(yīng)對氣候變化、推動綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措。其實(shí)，不少地方政府一直在積極支持和推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新能源汽車及儲能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為當(dāng)?shù)貒窠?jīng)濟(jì)重要的支柱性、基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)。但是，可再生能源與電力需求在時間和空間上存在不匹配的問題，大部分可再生能源，需要先被轉(zhuǎn)化為其他可存儲形式的能源再進(jìn)行利用。

在新能源研究過程中，日本索尼公司發(fā)明的第一個商業(yè)化鋰離子電池，打開了可充電研究領(lǐng)域的大門，經(jīng)過不斷更新，具有能量密度高、循環(huán)壽命長、輕巧便攜等多種優(yōu)點(diǎn)的鋰離子電池，迅速出現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)的方方面面，極大地促進(jìn)了長續(xù)程電動汽車的開發(fā)，并為存儲未來可再生能源提供了無限可能。2019年10月9日，諾貝爾化學(xué)獎授予了為鋰離子電池發(fā)展作出卓越貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家，進(jìn)一步肯定了鋰離子電池的時代價值。

隨著能量密度的提高，不斷被報道的鋰電池起火爆炸事故也為人們敲響了警鐘。鋰離子電池安全問題來源于內(nèi)部易燃電池組分和外部濫用條件等多種原因，要從根本上消除鋰離子電池的火災(zāi)安全隱患，仍需提高內(nèi)部電池材料的安全性。

目前大量研究表明，作為內(nèi)部電池材料之一的已被廣泛商用的液態(tài)電解質(zhì)，參與了鋰離子電池?zé)崾Э剡^程的大部分反應(yīng)，因此傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)動力電池?zé)o法滿足國家需求?；谶@一情況，固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)入人們的視線。

固態(tài)電解質(zhì)是指在固體狀態(tài)時就具有與熔融鹽或液體電解質(zhì)相近的離子電導(dǎo)率的材料。首先，固態(tài)電解質(zhì)的材料一般燃點(diǎn)很高，甚至不可燃，自身的安全性可以得到保證；其次，固態(tài)不流動的特性使得電池不會出現(xiàn)漏液現(xiàn)象，從而簡化了電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計；另外，固態(tài)電解質(zhì)擁有良好的機(jī)械性能，具有抑制金屬鋰在應(yīng)用時的缺陷——鋰枝晶的形成；還有，固態(tài)電解質(zhì)可能比液態(tài)電解質(zhì)具有更寬的電化學(xué)窗口，有利于提高電池的工作電壓；特別是某些固態(tài)電解質(zhì)在常溫下的表現(xiàn)，超過液態(tài)電解質(zhì)，甚至固態(tài)電解質(zhì)還可以支持電池在更寬的溫度范圍內(nèi)工作。因此，開發(fā)固態(tài)電解質(zhì)有望在提高電池性能的基礎(chǔ)上解決安全問題。

盡管固態(tài)電解質(zhì)在實(shí)際中還沒有被廣泛應(yīng)用，但近年來固態(tài)電解質(zhì)在研究上已經(jīng)取得了很多突破，這也是近十年來電解質(zhì)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。總之，液態(tài)電解質(zhì)容易泄露造成的安全隱患一直是儲能器件至關(guān)重要的問題，并且液態(tài)電解質(zhì)電池的能量密度已接近極限，隨著社會大眾對能源使用量的不斷增長，傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)動力電池?zé)o法滿足能源發(fā)展的需求。固態(tài)電解質(zhì)儲能體系具有高能量密度和高安全性能，是研究下一代鋰離子電池的革命性技術(shù)，已成為產(chǎn)業(yè)界和科學(xué)界的共識，因此研究和開發(fā)新型固態(tài)電解質(zhì)，符合我國能源戰(zhàn)略需求。