新聞資訊
NEWS INFORMATION
10
2024
-
07
全固態(tài)電池取得階段性重大突破
作者：
萬(wàn)仁美
在科研領(lǐng)域，固態(tài)電池的發(fā)展聚焦于硫化物、氧化物和聚合物三大技術(shù)路線，每條路線的產(chǎn)業(yè)化之路都充滿挑戰(zhàn)。因此全球科研機(jī)構(gòu)正集中力量，力求取得突破。這其中，硫化物固態(tài)電解質(zhì)因其卓越的電導(dǎo)率特性和合適的軟硬度，而被眾多科研人員看好其前景。然而，盡管硫化物固態(tài)電池在實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的研究中展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)，但在工程化道路上仍需克服諸多困難。
近日，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所的崔光磊團(tuán)隊(duì)在硫化物固態(tài)電池領(lǐng)域取得重要科研成果，這標(biāo)志著我國(guó)在固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)方面取得階段性重大突破。
崔光磊在接受《中國(guó)汽車(chē)報(bào)》記者采訪時(shí)介紹，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在科研工作中取得了顯著突破，成功設(shè)計(jì)出均質(zhì)化零應(yīng)變正極材料，這一創(chuàng)新成果有效解決了硫化物固態(tài)電池在材料方面所面臨的問(wèn)題。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還運(yùn)用熔融黏結(jié)技術(shù)，通過(guò)干法制備工藝制備出具有出色柔韌性的超薄硫化物固態(tài)電解質(zhì)膜，突破了硫化物固態(tài)電池工程化應(yīng)用的一大技術(shù)瓶頸。
01 界面穩(wěn)定性缺陷極大限制著硫化物固態(tài)電池的實(shí)際應(yīng)用
行業(yè)專家普遍對(duì)固態(tài)電池持有共識(shí)，認(rèn)為其具備顯著的安全性能、高能量密度、優(yōu)異的循環(huán)性能，以及廣泛的應(yīng)用范圍。在當(dāng)前階段，硫化物、氧化物及聚合物固態(tài)電池雖然在某些性能指標(biāo)上已達(dá)預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，然而各自仍存在需要突破的關(guān)鍵技術(shù)難題。
中南大學(xué)教授張永柱在接受記者采訪時(shí)指出，界面阻抗問(wèn)題始終是固態(tài)電池領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。而硫化物因其出色的接觸性，使得整體離子電導(dǎo)率性能表現(xiàn)卓越。在當(dāng)前人類所開(kāi)發(fā)的固態(tài)電池材料中，硫化物是唯一一種能夠超越液態(tài)電解液離子電導(dǎo)率水平的材料。然而，盡管硫化物材料在電導(dǎo)率方面表現(xiàn)出色，但其存在的致命短板卻成為了其工程化應(yīng)用的障礙。
硫化物因其極高的化學(xué)活性，易與空氣、有機(jī)溶劑以及正負(fù)極活性材料產(chǎn)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)。尤其在與水接觸時(shí)，會(huì)迅速生成有毒且具有刺激性氣味的H?S，這種氣體對(duì)人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。硫化物的高化學(xué)活性導(dǎo)致了其界面穩(wěn)定性極為低下，盡管它具備良好的電導(dǎo)率，然而界面穩(wěn)定性不足將使得其性能迅速衰減，從而給生產(chǎn)、運(yùn)輸和加工等環(huán)節(jié)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。硫化物在界面穩(wěn)定性方面的嚴(yán)重缺陷，極大地限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的廣泛推廣。
“硫化物對(duì)于環(huán)境的要求極其嚴(yán)格，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的特定條件無(wú)法直接應(yīng)用于日常生活中。”崔光磊明確指出。
02 均質(zhì)化零應(yīng)變正極策略提供新思路
單純依賴硫化物材料來(lái)制造固態(tài)電池并非可行之舉。面對(duì)挑戰(zhàn)，眾多研究者試圖通過(guò)其他方法或材料來(lái)限制其活性，但尋找合適的技術(shù)路徑或材料相當(dāng)困難。崔光磊團(tuán)隊(duì)不僅成功找到了適用的材料，還探索出了有效的技術(shù)方法。
崔光磊團(tuán)隊(duì)提出并制備的均質(zhì)化正極材料Li?.??Ti?(Ge?.??P?.??S?.?Se?.?)?兼具高離子電導(dǎo)率（0.2 mS cm?¹）、高電子電導(dǎo)率（225 mS cm?¹）及高比容量（250 mA h g?¹）。其離子和電子電導(dǎo)率高于傳統(tǒng)層狀氧化物正極材料3～5個(gè)數(shù)量級(jí)，比容量超過(guò)目前高鎳正極材料，這種材料構(gòu)筑的正極不需要額外引入異質(zhì)導(dǎo)電添加劑，從根本上解決了異質(zhì)組分間的電-化-力不匹配問(wèn)題。
固態(tài)電池在充放電過(guò)程中，體積會(huì)發(fā)生變化，膨脹與收縮容易導(dǎo)致晶體碎裂。崔光磊團(tuán)隊(duì)打造的新材料與新方法對(duì)此也有較好的解決辦法。據(jù)介紹，該材料在充放電過(guò)程中僅發(fā)生1.2%的體積形變，低于傳統(tǒng)層狀氧化物正極材料50%，且與硫化物電解質(zhì)的能級(jí)匹配，從而賦予全固態(tài)電池優(yōu)異的充放電可逆性。
“我們提出的正極均質(zhì)化策略可以克服能量存儲(chǔ)器件在能量、功率和壽命等方面進(jìn)一步提升面臨的瓶頸問(wèn)題，為器件的實(shí)用化和商業(yè)化鋪平道路。”崔光磊介紹說(shuō)。團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)性設(shè)計(jì)出的均質(zhì)化零應(yīng)變正極材料，顛覆了目前全固態(tài)鋰電池正極需復(fù)合離子和電子導(dǎo)體的范式，從根本上解決了正極因復(fù)合而帶來(lái)的電-化-力耦合失效的瓶頸問(wèn)題，進(jìn)一步制備出兼具高能量密度、高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、寬工作溫度的全固態(tài)鋰電池。均質(zhì)化零應(yīng)變正極策略為全固態(tài)電池性能的進(jìn)一步突破提供了新的解決思路。
03 工程化應(yīng)用取得重大進(jìn)展
新技術(shù)、新材料必須工程化才能走向商業(yè)化，否則只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段。事實(shí)上，早在10多年前，日本豐田汽車(chē)的研發(fā)人員就發(fā)現(xiàn)了硫化物材料的特性，但一直沒(méi)能工程化，導(dǎo)致豐田汽車(chē)宣布推出的電動(dòng)汽車(chē)一再推遲。
崔光磊團(tuán)隊(duì)在硫化物全固態(tài)電池工程化上也取得了重大進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)利用熔融黏結(jié)技術(shù)，干法制備出具有出色柔韌性的超薄硫化物固態(tài)電解質(zhì)膜，其優(yōu)異的力學(xué)性能、離子電導(dǎo)率以及應(yīng)力耗散特性可有效抑制電池內(nèi)部應(yīng)力不均導(dǎo)致的機(jī)械力失效。“聚合物/硫化物復(fù)合薄層化電解質(zhì)的制備是該類電池大幅提升能量密度和大規(guī)模生產(chǎn)的最關(guān)鍵技術(shù)之一。”崔光磊說(shuō)。
當(dāng)前，干法制備工藝存在各組分分散不均的問(wèn)題，崔光磊團(tuán)隊(duì)提出低壓力制備的熔融粘結(jié)策略，研究人員在粘流態(tài)下將低粘度的熱塑性聚酰胺（TPA）與硫化物L(fēng)i?PS?Cl進(jìn)行預(yù)混，進(jìn)而熱壓成型，誘導(dǎo)TPA在硫化物顆粒間隙滲透，構(gòu)建聚合物逾滲網(wǎng)絡(luò)，制備出兼具優(yōu)異的柔韌性、熱塑性、可彎曲性、拉伸性和較高離子電導(dǎo)率的超薄硫化物固態(tài)電解質(zhì)膜。
“我們使用同步輻射X射線斷層掃描（SX-CT）對(duì)循環(huán)過(guò)后的對(duì)稱電池進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)該超薄膜能夠有效抑制循環(huán)過(guò)程中因電極體積膨脹帶來(lái)的界面分離和電解質(zhì)碎裂等問(wèn)題，保持界面穩(wěn)定。這證明，在固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部構(gòu)建完整的聚合物逾滲網(wǎng)絡(luò)，不僅有利于其薄層化，更有利于耗散電池運(yùn)行過(guò)程中的不均勻內(nèi)應(yīng)力，降低力機(jī)械失效風(fēng)險(xiǎn)。”崔光磊介紹說(shuō)。
在工程化過(guò)程中，崔光磊研究團(tuán)隊(duì)基于所研發(fā)的新型均質(zhì)正極材料和薄層電解質(zhì)的界面融合為策略，使用純硅負(fù)極，制備出一體化全固態(tài)電池。據(jù)介紹，該種電池能量密度超過(guò)390 Wh/kg （660 Wh/L），在4000次充放電循環(huán)后容量保持率大于80%，使用壽命可超過(guò)10000小時(shí)。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，該策略制備的高電壓Bipolar和軟包電池具有較高的實(shí)用價(jià)值和產(chǎn)業(yè)化潛力，對(duì)硫化物全固態(tài)電池的商業(yè)化具有重要意義，可為全固態(tài)電池未來(lái)的科學(xué)研究和工藝技術(shù)發(fā)展提供有力參考。
原載中國(guó)汽車(chē)報(bào)網(wǎng)2024年7月8日
相關(guān)新聞
