用于電動汽車的更安全、更強大的固態(tài)電池!
文章導讀：固態(tài)電池具有更安全的潛力，并且它們具有更高的能量密度；這意味著，對于電動汽車，你可以在兩次充電之間走得更遠，或者需要更少的電池來進行電網規(guī)模的儲能。
目前，固態(tài)電池有可能比鋰離子電池更安全、更強大。固態(tài)電池開始應用于電動汽車等領域。然而，在固態(tài)電池普及之前，還存在一些技術挑戰(zhàn)。
桑迪亞國家實驗室牽頭的一項研究于 3 月 7 日發(fā)表在科學期刊Joule上，解決了其中一個挑戰(zhàn)——長期以來的假設是，添加一些液體電解質以提高性能會使固態(tài)電池不安全。相反，研究小組發(fā)現(xiàn)，在許多情況下，含有少量液體電解質的固態(tài)電池比鋰離子電池更安全。他們還發(fā)現(xiàn)，如果電池發(fā)生短路，釋放所有儲存的能量，理論上超級安全的全固態(tài)電池可能會釋放出危險的熱量。
“固態(tài)電池具有更安全的潛力，并且它們具有更高的能量密度，”領導該論文研究的桑迪亞博士后研究員亞歷克斯貝茨說。“這意味著，對于電動汽車，你可以在兩次充電之間走得更遠，或者需要更少的電池來進行電網規(guī)模的儲能。添加液體電解質可能有助于彌合商業(yè)化的差距，而不會犧牲安全性。”
Alex Bates 和桑迪亞國家實驗室的工程師 John Hewson 在專門設計的電池測試室前檢查鋰離子電池。他們將傳統(tǒng)鋰離子電池釋放的熱量與固態(tài)電池和帶有少量液體電解質的固態(tài)電池釋放的熱量進行了比較。他們發(fā)現(xiàn)在許多情況下，含有少量液體電解質的固態(tài)電池比鋰離子電池更安全。
通過化學方法改善電池固態(tài)電池有點像鋰離子電池。在兩者中，鋰離子從電池的一側移動到另一側，而電子則通過電路為設備供電。一個很大的區(qū)別是，在整個鋰離子電池中，有一種物質可以幫助鋰離子快速移動：液體電解質。
參與該項目的桑迪亞電池濫用測試實驗室的電池安全專家 Loraine Torres-Castro 將液態(tài)電解質比作駛入車道的車隊：它將鋰離子直接運送到需要去的地方。然而，目前的液體電解質易燃，可能導致電池爆炸或起火，尤其是在電池損壞時。
在固態(tài)電池中，液態(tài)電解質被稱為固態(tài)電解質的固態(tài)材料所取代，這也有助于鋰離子快速移動。貝茨說，一項技術挑戰(zhàn)是，雖然鋰離子可以在固體電解質中快速移動，但它們很難從固體電解質移動到電極，反之亦然。固體電解質可以比作一列火車，也可以快速將鋰離子運送到車站，但乘客仍然需要走得更遠才能回家。
科學家加快這種“直接穿梭”的一種方法——從而提高電池充電速度和性能——是在電池的正極側添加一點液體電解質。
然而，該項目的桑迪亞電池可靠性專家 Yuliya Preger 表示：“在固態(tài)電池研究界，關于將液體電解質用于‘潤滑車輪’的安全性存在很多爭議。一些科學家說，任何數(shù)量的液態(tài)電解質都是不安全的。因此，我們進行了計算，看看液態(tài)電解質的影響可能是什么。”
勞倫斯伯克利國家實驗室的電池科學家史蒂夫哈里斯和桑迪亞電池科學家凱蒂哈里森首先質疑導致這項研究的“路線”。兩人都參與了這項研究。
桑迪亞國家實驗室的電池測試實驗室展示了電池可能發(fā)生故障的不同方式的。
固態(tài)電池有多安全？
為了弄清楚帶有少量液體電解質的固態(tài)電池的安全性，研究小組首先計算了鋰離子電池、全固態(tài)電池和固態(tài)電池可以釋放多少熱量具有不同數(shù)量液體電解質的電池。所有測試的電池都具有等量的存儲能量。然后，他們研究了電池可能發(fā)生的三種不同的故障，以及由于每種故障而釋放的熱量。
“我們首先確定了三種電池中有多少化學能，”該項目的桑迪亞熱釋放計算專家約翰休森說。“可以釋放的能量只有這么多，如果確實發(fā)生化學反應，它會使電池加熱一定程度。”
Torres-Castro 說，可能發(fā)生的第一件故障是電池起火——來自鄰近的電池或周圍的物件。在這些情況下，研究人員發(fā)現(xiàn)，其中含有少量液體電解質的固態(tài)電池產生的熱量約為同類鋰離子電池的五分之一——這取決于它有多少液體電解質。在這種情況下，沒有液體電解質的固態(tài)電池不會產生任何熱量。
電池可能發(fā)生的第二個故障是，如果反復充電和放電導致鋰金屬形成稱為枝晶的“尖峰”。Preger 說，這種枝晶可以在隔膜上刺出一個孔，使兩側保持不同并導致短路。這是所有一側有鋰金屬的電池的一個已知問題。在這種情況下，所有三個電池都會產生相似的熱量，這取決于電池中鋰金屬的含量。
固態(tài)電池可能發(fā)生的第三個故障是固態(tài)電解質可能會破裂。Torres-Castro 說，如果電池在運行過程中被壓碎或刺破，或者由于壓力升高，都會發(fā)生這種情況，這將使電池一側的氧氣與另一側的鋰金屬發(fā)生反應。在這些情況下，沒有液體電解質的固態(tài)電池可以達到接近鋰離子電池的溫度，這讓研究小組感到驚訝。
結語
“我們發(fā)現(xiàn)，如果固態(tài)電池含有鋰金屬，無論它是否含有液態(tài)電解質，它都有可能造成危險，”他說。“我們在本文中試圖指出的是，性能和安全性之間存在一定的權衡，但添加一點液體可能會大大提高性能，而對安全性的影響很小。”Torres-Castro 補充說，了解這種權衡可能有助于加快商業(yè)化進程。“清楚并有信心知道少量液體電解質不會造成巨大的安全問題，這可能有助于商業(yè)固態(tài)電池的發(fā)展。
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