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固态电池真的安全吗?

作者:中国储能网新闻中心 来源:锂电前沿 储能产业新观察 发布时间:2022-11-22 浏览:

中国储能网讯:固态电池(SSB)使用不可燃固体电解质(SE)替代了传统锂离子电池(LIB)中易挥发性、易燃液体电解质(LE),普遍认为可以有效的提高电池的安全性。在全固态电池中,通过使用锂金属负极来取代常规的石墨负极,进一步提高电池的能量密度。相比于固态电池,在传统的液态锂离子电池中使用锂金属很难有效地提升电池的安全性能和循环性能,一方面在液态锂离子电池中金属锂沉积很容易形成苔藓或树枝状微结构,带来大量的副反应消耗电解液,另一方面这些枝晶很容易刺穿隔膜引起电池内部短路。

理论上在固态电池中如果使用聚合物电解质因具有较高的剪切模量可以有效阻止锂枝晶的生长避免电池短路。相反如果使用陶瓷类固态电解质,则无法阻止锂枝晶的生长,多项研究表明在陶瓷电解质固态电池中晶界为锂枝晶提供了生长路径,并最终引起电池短路。克服这一问题是当前固态电池研究的一个重要方向。除枝晶引发短路外,陶瓷基电解质固态电池还受到固态电解质和活性物质之间高界面阻抗影响,为解决界面问题工程上可以通过添加少量的液态电解质来解决,尽管电解质的引入有效降低了电解质和活性物质之间的界面阻抗,但关于液态电解质引入对电池安全性的影响却很少有系统性定量的研究,而仅仅是定性的认为少量液态电解质的加入能够提升电池的安全性。

最近国外研究人员通过设计实验,系统的研究了少量液态电解质对固态电池安全性的影响,主要通过对比使用LLZO固态电解质的固态电池(含有少量液态电解质)和全固态电池在不同极端情形下引发热失控释放的热量,来定量的分析了少量液态电解质对电池安全性能的影响。

情形一,外部加热引发热失控。当通过外部热源引发热失控时,添加少量液态电解质的固态电池比全固态电池释放出更多的热量,但比常规液态锂离子电池产生的热量少。显然,外部加热下,在全固态电池中LLZO能够更有效的隔离电池中的正负极;对于添加了少量的液态电解质的固态电池,外部加热时正极材料生成的O2很容易与少量的液态电解质发生反应释放热量。情形二,内部短路引发热失控。当电池内部短路引发热失控时,三种类型的电池,常规液态锂离子电池、添加少量电解质的固态电池和全固态电池释放热量相同,表明当电池内部因枝晶引起内短路并引发热失控时固态电池并没有优势。情形三,机械滥用引发热失控。在全固态电池中,极端机械滥用(如针刺)条件下,全固态电池中的固态电解质并不能很好的阻隔氧气与负极的接触,负极与氧反应放出大量的热。

结论:研究人员分析了固态电池、全固态电池和液态电解质锂离子电池在极端情形下安全问题,尽管文章并未考虑在高温下固态电解质与负极(如金属锂)的反应,但也较为充分的说明与常规锂离子电池相比,高能量密度全固态电池和添加少量液态电解质的固态电池可能没有安全优势。

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关键字:固态电池

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