在日前召開的“2018首屆中國新能源動(dòng)力電池暨儲能產(chǎn)業(yè)大會(huì)”上，中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)材料科學(xué)與工程研究院院長南策文就動(dòng)力電池材料、能量密度、安全性等問題和與會(huì)嘉賓進(jìn)行了交流分享。
解決高能量密度鋰離子電池安全性難題
南策文指出，動(dòng)力電池有非常清晰的目標(biāo)路線圖，對電芯的發(fā)展很重要。材料在電池的研制中占有重要地位，在某些技術(shù)方面甚至是第一位的。鋰離子電池是復(fù)雜的復(fù)合材料體系，包括多相正極材料、多相負(fù)極材料、電解液、(復(fù)合)隔膜、銅箔、鋁箔等。鋰電池要通過內(nèi)部多種材料協(xié)同配合才能運(yùn)作，要通過整個(gè)系統(tǒng)去優(yōu)化，才能把電池的能量、功率、安全性、壽命、成本等做到最優(yōu)。
動(dòng)力電池的能量密度理論上跟很多因素有關(guān)，正極和負(fù)極材料決定了電池可以做到多高的密度。目前鋰離子電池能量提升的途徑主要是通過應(yīng)用高能電極材料，運(yùn)用高比能的材料組合來實(shí)現(xiàn)，但是高壓電極容易引起液態(tài)電解液分離的安全問題。
南策文介紹，鋰離子電池能量繼續(xù)提升的途徑是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、集成技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，也就是進(jìn)一步提高電池器件集成度，增大電芯尺寸和單體電池尺寸。但是這樣會(huì)造成隔膜機(jī)械強(qiáng)度降低的問題，容易發(fā)生熱失控，降低電池的安全性。
研發(fā)納米陶瓷隔膜技術(shù) 打造電池“安全芯”
南策文表示，解決以上問題有很多途徑，其中一個(gè)重要途徑就是通過陶瓷隔膜來提高安全性，打造安全芯。把陶瓷隔膜納米顆粒涂覆在隔膜上，可以增加隔膜強(qiáng)度。以現(xiàn)有的動(dòng)力電池業(yè)態(tài)發(fā)展來看，“安全芯”的隔膜技術(shù)發(fā)展有三個(gè)階段。
第一階段是高端納米陶瓷隔膜技術(shù)。采用納米陶瓷纖維隔膜，其結(jié)構(gòu)和蜘蛛網(wǎng)類似，具有更高的保液量、更低的直流內(nèi)阻、更好的循環(huán)壽命、更低的熱收縮、更好的機(jī)械強(qiáng)度、更佳的安全性，尤其在耐熱性等方面具有很大的顛覆力。
第二階段是Li傳導(dǎo)納米陶瓷隔膜技術(shù)。這種活性的陶瓷隔膜，具有獨(dú)特的高安全性、高Li離子傳導(dǎo)活性，大大提高了大倍率下的性能和高溫性能，減少了電解液用量，對勢能的提升也有非常大的幫助。
第三階段是固態(tài)鋰電池技術(shù)。即把“電解液＋隔膜”變成固體電解質(zhì)。這種固體電解質(zhì)第一個(gè)作用是快速傳導(dǎo)，第二個(gè)作用是斷隔作用，這是一個(gè)理想的作用。
安全性超強(qiáng)的固態(tài)軟包電芯電池
“我們的團(tuán)隊(duì)做了一些固態(tài)軟包電芯產(chǎn)品，”南策文談道，“這類電池?cái)D壓后不會(huì)發(fā)生短路，而且可以看到經(jīng)過兩次穿刺后，其充放電曲線依然正常，氣容量發(fā)揮率約80%，保護(hù)率比較高。”
南策文還介紹，將其團(tuán)隊(duì)研發(fā)的固態(tài)軟包電芯產(chǎn)品充電至4.3V，側(cè)方向擠壓變形大于50%，也未出現(xiàn)冒煙起火、燃燒爆炸等問題。把針刺后的產(chǎn)品充滿電，再進(jìn)行重物沖擊，也沒有出現(xiàn)起火、燃燒等情況。對電池充電后，進(jìn)行短路測試，最高溫度達(dá)64.3℃，最大電流達(dá)47.9A。電池也沒有出現(xiàn)冒煙、起火、爆炸等問題，依舊可以保持電容量。并且測試后也沒有發(fā)現(xiàn)脹氣等異常情況。
固態(tài)電解質(zhì)可以解決安全問題，并且可以做到更高的比能量。固態(tài)軟包電芯產(chǎn)品可以達(dá)到300Wh/kg-400Wh/kg，甚至可以超過431Wh/kg。南策文介紹，另一種柔性固態(tài)電芯，經(jīng)過兩回彎折后很快恢復(fù)，比能量沒有降低，無論是彎折也好，卷曲甚至是對折也好，都不會(huì)出現(xiàn)問題。把該電池放入150℃水中2小時(shí)，電池沒有出現(xiàn)起火、爆炸的情況。
根據(jù)國家產(chǎn)業(yè)政策，對提高鋰電池的能量比重提出了很大要求，但是長期以來，鋰電池存在能量密度越高，其安全性越低的科學(xué)頑疾，而納米陶瓷隔膜技術(shù)的出現(xiàn)打破了這個(gè)魔咒，打造出了使鋰電池不怕刺、不怕摔、不拍折的“安全芯”，在這個(gè)急需突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵時(shí)期，無疑為整個(gè)動(dòng)力電池業(yè)注入一支強(qiáng)心劑。
解決高能量密度鋰離子電池安全性難題
南策文指出，動(dòng)力電池有非常清晰的目標(biāo)路線圖，對電芯的發(fā)展很重要。材料在電池的研制中占有重要地位，在某些技術(shù)方面甚至是第一位的。鋰離子電池是復(fù)雜的復(fù)合材料體系，包括多相正極材料、多相負(fù)極材料、電解液、(復(fù)合)隔膜、銅箔、鋁箔等。鋰電池要通過內(nèi)部多種材料協(xié)同配合才能運(yùn)作，要通過整個(gè)系統(tǒng)去優(yōu)化，才能把電池的能量、功率、安全性、壽命、成本等做到最優(yōu)。
動(dòng)力電池的能量密度理論上跟很多因素有關(guān)，正極和負(fù)極材料決定了電池可以做到多高的密度。目前鋰離子電池能量提升的途徑主要是通過應(yīng)用高能電極材料，運(yùn)用高比能的材料組合來實(shí)現(xiàn)，但是高壓電極容易引起液態(tài)電解液分離的安全問題。
南策文介紹，鋰離子電池能量繼續(xù)提升的途徑是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、集成技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，也就是進(jìn)一步提高電池器件集成度，增大電芯尺寸和單體電池尺寸。但是這樣會(huì)造成隔膜機(jī)械強(qiáng)度降低的問題，容易發(fā)生熱失控，降低電池的安全性。
研發(fā)納米陶瓷隔膜技術(shù) 打造電池“安全芯”
南策文表示，解決以上問題有很多途徑，其中一個(gè)重要途徑就是通過陶瓷隔膜來提高安全性，打造安全芯。把陶瓷隔膜納米顆粒涂覆在隔膜上，可以增加隔膜強(qiáng)度。以現(xiàn)有的動(dòng)力電池業(yè)態(tài)發(fā)展來看，“安全芯”的隔膜技術(shù)發(fā)展有三個(gè)階段。
第一階段是高端納米陶瓷隔膜技術(shù)。采用納米陶瓷纖維隔膜，其結(jié)構(gòu)和蜘蛛網(wǎng)類似，具有更高的保液量、更低的直流內(nèi)阻、更好的循環(huán)壽命、更低的熱收縮、更好的機(jī)械強(qiáng)度、更佳的安全性，尤其在耐熱性等方面具有很大的顛覆力。
第二階段是Li傳導(dǎo)納米陶瓷隔膜技術(shù)。這種活性的陶瓷隔膜，具有獨(dú)特的高安全性、高Li離子傳導(dǎo)活性，大大提高了大倍率下的性能和高溫性能，減少了電解液用量，對勢能的提升也有非常大的幫助。
第三階段是固態(tài)鋰電池技術(shù)。即把“電解液＋隔膜”變成固體電解質(zhì)。這種固體電解質(zhì)第一個(gè)作用是快速傳導(dǎo)，第二個(gè)作用是斷隔作用，這是一個(gè)理想的作用。
安全性超強(qiáng)的固態(tài)軟包電芯電池
“我們的團(tuán)隊(duì)做了一些固態(tài)軟包電芯產(chǎn)品，”南策文談道，“這類電池?cái)D壓后不會(huì)發(fā)生短路，而且可以看到經(jīng)過兩次穿刺后，其充放電曲線依然正常，氣容量發(fā)揮率約80%，保護(hù)率比較高。”
南策文還介紹，將其團(tuán)隊(duì)研發(fā)的固態(tài)軟包電芯產(chǎn)品充電至4.3V，側(cè)方向擠壓變形大于50%，也未出現(xiàn)冒煙起火、燃燒爆炸等問題。把針刺后的產(chǎn)品充滿電，再進(jìn)行重物沖擊，也沒有出現(xiàn)起火、燃燒等情況。對電池充電后，進(jìn)行短路測試，最高溫度達(dá)64.3℃，最大電流達(dá)47.9A。電池也沒有出現(xiàn)冒煙、起火、爆炸等問題，依舊可以保持電容量。并且測試后也沒有發(fā)現(xiàn)脹氣等異常情況。
固態(tài)電解質(zhì)可以解決安全問題，并且可以做到更高的比能量。固態(tài)軟包電芯產(chǎn)品可以達(dá)到300Wh/kg-400Wh/kg，甚至可以超過431Wh/kg。南策文介紹，另一種柔性固態(tài)電芯，經(jīng)過兩回彎折后很快恢復(fù)，比能量沒有降低，無論是彎折也好，卷曲甚至是對折也好，都不會(huì)出現(xiàn)問題。把該電池放入150℃水中2小時(shí)，電池沒有出現(xiàn)起火、爆炸的情況。
根據(jù)國家產(chǎn)業(yè)政策，對提高鋰電池的能量比重提出了很大要求，但是長期以來，鋰電池存在能量密度越高，其安全性越低的科學(xué)頑疾，而納米陶瓷隔膜技術(shù)的出現(xiàn)打破了這個(gè)魔咒，打造出了使鋰電池不怕刺、不怕摔、不拍折的“安全芯”，在這個(gè)急需突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵時(shí)期，無疑為整個(gè)動(dòng)力電池業(yè)注入一支強(qiáng)心劑。