刚柔并济可解安全问题动力锂离子电池研发取得进展

时间：2024-09-04 预览：1 source:

刚柔并济可解安全问题动力锂离子电池研发取得进展

　　安全、可靠的动力锂电池是制约新型近零排放汽车产业的瓶颈，也是新能源汽车的短板之一。现有的锂离子电池液体电解质体系，不能满足动力锂电池对高能量、高功率和安全性等多方面的要求。青岛储能产业技术研究院研发团队提出了刚柔并济的研发思路，开发出一系列新型聚合物电解质体系，很好地解决了上述瓶颈问题，同时大幅提升了安全使用性能。

　　刚柔并济解安全问题动力锂电池研发取得进展

　　随着全球能源短缺、环境污染不断加剧，大力开发以纯电动汽车为代表的新型近零排放汽车是国家确定的发展战略之一。、安全、可靠的动力锂电池是制约新型近零排放汽车产业的瓶颈，也是新能源汽车的短板之一。当前动力锂电池存在的大安全隐患是电池热失控，我国科学院青岛生物能源与过程研究所青岛储能产业技术研究院在开发高安全性动力锂电池聚合物电解质材料体系解决该安全问题方面取得了阶段性进展，并正快速推进其产业化进程。

　　现有的锂离子电池液体电解质体系，不能满足动力锂电池对高能量、高功率和安全性等多方面的要求。青岛储能产业技术研究院研发团队提出了刚柔并济的研发思路，开发出一系列新型聚合物电解质体系，很好地解决了上述瓶颈问题，同时大幅提升了安全使用性能。刚柔并济就是使用刚性骨架材料，如聚酰亚胺、芳纶、聚芳砜酰胺、玻璃纤维和纤维素等(NanoEnergy,2014,10,277-287;SolidStateIonics,2013,245-246,49-55;232,44-48;JournaloftheElectrochemicalSociety,2013,161,A1032-A1038;ProgressinPolymerScience,2015,43,136-164)无纺布材料，改善电池的力学性能和尺寸热稳定性能;利用柔性离子传输材料，如聚环氧乙烷(PEO)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、氰基丙烯酸酯和聚碳酸丙烯酯(PPC)等赋予优异的离子传导性和界面稳定性，通过并济即两种或多种材料复合达到多赢的效果，实现综合性能的大幅提高，进而满足动力锂电池的要求。

　　敬天惜物、取法自然，该研究探究刚柔并济的复合聚合物电解质体系，实现刚柔的对立统一，来实现力学强度、耐热性能、电位窗口、界面稳定性和离子导电率等综合性能的提升。

　　传统的偏氟乙烯类体系虽然具有高的稳定性和较高的电位窗口等优点，但离子导电率较低、湿态下其力学强度和热稳定性很差，为改善传统的偏氟乙烯类的凝胶聚合物电解质的性质，研究团队采用其与聚酰亚胺和聚砜酰胺等无纺布材料纳米尺度复合，刚柔并济、浑然一体，提升尺寸热稳定性和力学强度，实现其综合性能的提升(JournaloftheElectrochemicalSociety,2013,160,A769-A774;MacromolecularMaterialsandEngineering,2013,298,806-813;ACSAppl.Mater.Interfaces,2013,5,128-134);针对其锂离子迁移系数低的问题，研发了新型的单离子聚合物硼酸锂盐作为表面增强材料(CoordinationChemistryReviews,2015,292,56-73;JournalofMaterialsChemistryA,2015,3，7773-7779)提高其离子迁移数和相容性，刚柔并济、相辅相成提升电池系统综合性能。

　　传统的聚丙烯腈的聚合物电解质具有较高的离子导电率优点，但物性较脆，加工性能不好，研发团队采用新型的聚合物电解质基体(ACSAppl.Mater.Interfaces,2015,7,4720-4727;Electrochim.Acta2015,157,191-198;Electrochem.Comm.DOI:10.1016/j.elecom.2015.10.009)，结合刚柔并济的设计理念，实现了腈基聚合物电解质加工性能等综合性能的提升。

　　图2室温聚碳酸酯基全固态聚合物电解质的制备流程图

　　凝胶的聚合物电池在提高动力锂电池的安全性方面起了重要的用途，但仍采用少量易挥发和燃烧的碳酸酯类溶剂，在高温或极端条件下使用时仍存在一定的安全隐患，难以完全满足电动汽车对动力锂离子电池在高能量和安全性能等方面的苛刻要求。因此，开发新型高安全性全固态电解质体系对提升高能量密度动力锂离子电池的综合性能具有重要意义。

　　针对传统的PEO体系的较低的电位窗口和较差的尺寸热稳定性和力学强度，研究人员采用高电位的氰基丙烯酸酯作为提升电位窗口的材料;同时采用热固性的纤维素无纺膜作为刚性骨架，供应尺寸热稳定性和部分改善力学强度，开发出一款力学强度高、电化学窗口宽以及尺寸热稳定性好的高安全性全固态聚合物电解质，相关研究成果发表在国际期刊(ScientificReports,2014,4,6272)。针对PEO的室温离子导电率较低的瓶颈问题，研究人员立足科学问题本身，从影响离子电导率的分子结构出发，结合离子传输机理与动力学传输的多尺度机制，设计出一款无定形的聚碳酸酯基室温全固态聚合物电解质，经表征发现：该款全固态聚合物电解质室温电导率可达到10-4S/cm数量级，电化学窗口为4.6V，倍率性能较好，室温长循环1000圈容量保持率为90%。相关研究成果发表在国际期刊(AdvancedEnergyMaterials,DOI:10.1002/aenm.201501082)。

　　该研究团队制备的全固态聚合物锂离子电池用针刺试验验证其安全性能(图3)。通过测试发现：组装的6Ah大容量三元体系全固态聚合物锂离子电池显示出的安全性能，经四次针刺后，全固态锂离子电池不起火，不爆炸，这是传统的液态锂离子电池所无法比拟的。这再次证明刚柔并济电解质体系在提升高能量密度锂离子电池安全性能方面的优势。