科學網—鋰離子電池如何增「量」不增「危」

 

想讓鋰離子電池增「量」不增「危」，還要攻克很多難題。郭剛製圖

■本報見習記者 田瑞穎

11月2日，國務院辦公廳印發《新能源汽車產業發展規劃（2021~2035年）》，明確指出，到2035年，純電動汽車將成為新銷售車輛的主流。

然而，近一個月以來，多起純電動汽車自燃事件，也讓公眾對其安全性產生質疑。不久前，一輛停放於北京市北四環附近的威馬電動汽車就在未充電的狀態下突然爆炸，威馬汽車回應稱，初步調查系電池問題。

作為二次電池「王者」的鋰離子電池，為何頻頻「王炸」？中國科學院物理研究所研究員李泓在接受《中國科學報》採訪時說，「電池從設計、生產到裝車、運行、報廢，任何環節出現問題都可能引起新能源汽車起火爆炸。」

如何讓電池擁有更高能量密度的同時又更加安全？近日，《自然—能源》發布的一項研究成果引起了記者的注意——美國史丹福大學教授崔屹團隊設計出一種新型集流體，在熱失控起火的情況下，嵌入的阻燃劑得以釋放，從而有效阻止電池繼續燃燒，使鋰離子電池變得更安全。

不過，要想讓鋰離子電池增「量」不增「危」，未來還有很多難題需要攻克。

能量密度增加為何難？

續航裡程是新能源汽車之間較量的關鍵「砝碼」，增加鋰電池能量密度是緩解裡程焦慮「痛點」的重要環節，然而增加鋰電池能量密度並非易事。

崔屹團隊研發出一種厚度約為9微米的輕型聚醯亞胺基集流體，用於替換現有的金屬集流體。這種新型集流體為三明治結構，中間層是嵌入阻燃劑的有機物支撐膜，外層是約500納米厚的金屬層。

研究表示，這種新型集流體面密度比目前最輕的銅箔的面密度還要低，採用這種新型集流體可以最多提高26%的電池能量密度，並在熱失控起火的情況下，釋放阻燃劑，阻止電池繼續燃燒，降低電池燃燒的危險性。

李泓解釋稱，電池的理論能量密度由電池的電壓和單位質量或單位體積的電池釋放出的容量決定。但是電池除了提供能量的正極和負極材料，還包含保證電池工作所需要的電解液、隔膜、集流體、外殼，而電池包外殼和散熱管等其他組件部分並不提供能量，因此電池的實際能量密度還需要乘以活性物質的佔比。

在李泓看來，提高鋰電池能量密度主要有三種途徑。一是提高電池的工作電壓，包括降低負極的電位和提高正極的電位。「我們的研究證明，通過Ti/Mg/Al三元素痕量共摻雜，可以顯著提升鈷酸鋰材料在4.6V高電壓下的循環穩定性。」

二是提高電池材料的比容量，例如負極從石墨到矽碳負極再到未來的含鋰負極，正極從較低容量的磷酸鐵鋰邁向高鎳層狀正極材料，均旨在得到更高的電池比容量。此外，還可以通過降低電池內部非活性物質的佔比來提高鋰電池能量密度。

然而，在李泓看來，「動力電池技術發展至今，以上三種思路的技術發展均已深入到一定程度，對於現有的體系，進一步提高正極材料的電壓和容量還面臨著愈發嚴重的安全問題」。

他表示，在電芯層面上提高能量密度的主要難點是能量密度與安全性等其他指標的平衡，這需要材料層面的進一步創新，例如引入固態電解質等。在系統層面，動力電池依然有較大的創新空間以降低系統層級的非活性物質，提供系統的能量密度。

電池安全為何失控？

對於此次威馬汽車爆炸事件，該公司在後續的召回公告中指出，本次召回範圍內的車輛由於電芯供應商在生產過程中混入了雜質，導致動力電池產生異常析鋰。極端情況下可能導致電芯短路，引發動力電池熱失控並產生起火風險，存在安全隱患。

值得關注的是，電池供應商中興高能技術有限公司則聲稱，當日自燃車輛搭載的並非高能技術的電池。

「採用多個供應商的電池，需要充分模擬不同供應商提供產品的整個產品生命周期，採用完善的測試驗證手段驗證電池、電池組、電池包等所有可能出現的失效行為，建立高於市場要求的企業標準才能在車企環節降低電池起火的事故概率。」李泓強調，「對於電池供應商而言，高精度的生產製造和電池的高一致性是避免電池發生安全問題的重點。」

李泓進一步解釋道，電池單體發熱、起火，甚至爆炸分為內因和外因。從內因來看，可能是由電池設計和製造引起的自身缺陷，如極片邊緣錯位、隔膜存在瑕疵、塗布時極片上混入灰塵雜質等造成。從外因來看，可能是由機械濫用、電濫用和熱濫用造成。

此外，電池發生熱失控的現象也分為內部反應和外部反應。對於電池內部反應，當電池溫度達到大約70攝氏度時，電池內部的放熱反應會使自身溫度持續升高，如果在電池自放熱的早期沒有使其冷卻，那麼電池自身溫度將會一直升高直至臨界條件，進而發生熱失控。

對於電池熱失控的外部反應，當電池內部溫度超過電解液溶劑的沸點時，會導致電解液的噴發，而噴射至外部的電解液極易燃燒，對於採用雙溶劑的電池，會出現二次噴發的過程，即產生電池火焰熄滅後的「復燃」現象。

「值得注意的是，電池熱失控、燃燒、爆炸是逐步遞進的，電池內部自放熱的反應可直接發生熱失控，但並不一定導致燃燒，燃燒由於外部的氧氣參與。而爆炸則是需要在密閉的空間內短時間產生大量氣體，其發生條件比燃燒更為苛刻。一般而言，電芯通過氣閥的設計能夠將電池熱失控產生的氣體有效排除，避免發生爆炸。」李泓表示。

未來瓶頸如何破？

「實際上，鋰離子電池的性能指標包括質量能量密度、體積能量密度、循環性、充放電速率、高低溫適應性、安全性等多種指標。」在李泓看來，未來鋰離子電池的發展還需要在多方面「深耕」。

從基礎科學角度，需要對電池內的材料結構演化行為、體積與應力變化等機械行為、離子與電子的輸運行為、電池組分與材料之間的熱穩定性和熱行為、內部界面的化學電化學反應有更深層次的理解，需要多尺度、跨學科的交叉合作。

從技術研發角度，需要平衡現有體系的能量密度、安全性和壽命等多重指標，採用精準摻雜與包覆、預鋰化、電解液添加劑等技術提高電池的綜合性能，加強系統層級的結構創新。

從工業製造角度，保證電芯高度一致性是電池組安全的重要前提，企業要逐漸引入智能製造、數位化工廠等技術，讓電池製造達到更高的標準。

「科研工作者需要更深入地理解工業界對電池的要求，在測試過程中，儘量使測試樣品的準備和測試條件接近工業產品，從而提高研究成果的實用化價值。」李泓說。

相關論文信息：http://doi.org/10.1038/s41560-020-00702-8

《中國科學報》 (2020-11-04 第3版 能源化工)