近年來，全固態(tài)電池因具有高能量密度的潛在優(yōu)勢，在新能源汽車和能源存儲領(lǐng)域備受關(guān)注。然而截至目前，全球范圍內(nèi)的全固態(tài)電池尚未步入大規(guī)模量產(chǎn)階段。

全固態(tài)電池含有鋰金屬，并且三元正極材料在過熱時釋放氧氣。也就是說，其既是固體燃料又自帶氧氣，它的安全如何呢？火箭推進(jìn)劑是與它類似的材料，一旦熱失控，全固態(tài)電池會像火箭那樣發(fā)射嗎？

帶著這些最基本的科學(xué)問題，美國賓州州立大學(xué)王朝陽院士和日產(chǎn)汽車團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開展深入研究，為該領(lǐng)域敲響了“警鐘”：全固態(tài)鋰金屬電池沒有人們預(yù)期的那樣安全。

傳統(tǒng)觀點(diǎn)通常認(rèn)為，鋰離子電池的安全隱患主要來自于液態(tài)電解液，人們曾希望用不可燃的固態(tài)電解質(zhì)替代可燃電解液，來提高電池的安全性。

而該研究發(fā)現(xiàn)，在充電過程中，鋰從正極返回負(fù)極形成金屬鋰沉積。全固態(tài)電池內(nèi)部短路時，金屬鋰成為了新的可燃物，這顛覆了人們對全固態(tài)電池安全性的傳統(tǒng)認(rèn)知。

具體而言，金屬鋰的燃燒反應(yīng)速度和劇烈程度都比電解液引發(fā)的熱失控更快，起火時間僅需 1 到 3 秒內(nèi)。也就是說，全固態(tài)電池一旦采用鋰金屬作為負(fù)極材料，就不可避免地會面臨安全風(fēng)險。

王朝陽表示，在全固態(tài)電池安全的基礎(chǔ)科學(xué)問題未取得實(shí)質(zhì)性突破之前，大規(guī)模量產(chǎn)全固態(tài)電池可能會造成巨大的資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。

他指出，“盡管全固態(tài)電池被想當(dāng)然認(rèn)為是更安全的，但解決鋰金屬燃燒的安全問題是繼續(xù)向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的前提條件。”

圖丨王朝陽（來源：王朝陽）

近日，相關(guān)論文以《內(nèi)部短路時鋰電池起火的量化分析》（Quantification of Lithium Battery Fires in Internal Short Circuit）為題發(fā)表在 ACS Energy Letters 上 [1]。

賓州州立大學(xué)葛善海副教授是第一作者，王朝陽教授擔(dān)任通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來源：ACS Energy Letters）

該研究經(jīng)歷了三年多時間，研究人員設(shè)計(jì)了一種新方法，對鋰離子電池和無負(fù)極電池在單層內(nèi)部短路過程中，火災(zāi)或冒煙的發(fā)生情況進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)研究。

研究結(jié)果顯示，無論是含有液體電解質(zhì)還是不含液體電解質(zhì)的鋰金屬電池，在內(nèi)部短路情況下, 都比鋰離子電池更危險。

（來源：ACS Energy Letters）

該課題組揭示了鋰金屬全固態(tài)電池在內(nèi)部短路時起火的閾值現(xiàn)象。他們通過對比不同充電狀態(tài)下的三元正極和磷酸鐵鋰正極，發(fā)現(xiàn)氧氣對電池的影響深遠(yuǎn)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M了單層電池內(nèi)部短路，使用 0.15Ah 無負(fù)極電池和鎳鈷錳三元材料 NMC811 陰極，結(jié)果在 2.6 秒內(nèi)起火，并顯示出高度的可重復(fù)性。

熱力學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，全固態(tài)電池中鋰金屬的燃燒熱與電解液相當(dāng)。其中關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，熱輸入與短路電流的平方成正比，存在約 70A 的短路電流閾值觸發(fā)起火，強(qiáng)調(diào)了精確控制短路電阻在電池安全研究中的重要性。

該研究表明，全固態(tài)電池在內(nèi)部短路時的起火現(xiàn)象，比傳統(tǒng)鋰離子電池更劇烈、起火速度更快、燃燒熱釋放更大。

并且，現(xiàn)有的鋰離子電池包安全措施或許無法及時發(fā)揮作用，因?yàn)檫@些措施通常需要一定時間來反應(yīng)，而全固態(tài)電池的熱失控速度遠(yuǎn)超過現(xiàn)有安全設(shè)施的響應(yīng)速度。

圖丨燃料對鋰電池安全的影響（來源：ACS Energy Letters）

盡管業(yè)界對全固態(tài)電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的預(yù)期和預(yù)測層出不窮，但歷史經(jīng)驗(yàn)表明，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的過程充滿挑戰(zhàn)和不確定性。

早在 2015 年，豐田汽車就提出了全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)，但由于安全性、成本和生產(chǎn)規(guī)模等方面的一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，這一目標(biāo)的落地時間一再被推遲。

現(xiàn)在，業(yè)界普遍預(yù)計(jì)在 2030 年左右，才可能實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的商業(yè)化，而在此之前必須突破電池安全的科學(xué)難題。

王朝陽認(rèn)為，發(fā)展全固態(tài)電池，無論是材料、結(jié)構(gòu)還是整個電池層面，首要目標(biāo)都是提高其安全性。在該問題得到解決之前，討論性能和成本等其他問題不具有實(shí)際意義。

他進(jìn)一步說道：“對產(chǎn)業(yè)界而言，技術(shù)落地的推遲可能帶來重大損失，因?yàn)檫@不僅涉及巨額投資，還包括生產(chǎn)線的構(gòu)建和人員投入等?！?/span>

從 2022 年開始，該課題組已經(jīng)在探索具有實(shí)際意義的、全固態(tài)電池安全性的解決方案。未來，他們也將繼續(xù)在該方向持續(xù)深入研究。

該團(tuán)隊(duì)希望學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界能夠在未來保持密切合作，聚集資源和人才加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)，從而共同加速推動全固態(tài)電池領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步。

參考資料：

1.S. Ge, T. Sasaki, N. Gupta, K. Qin, R.S. Longchamps, K. Aotani, Y. Aihara, C.Y. Wang, Quantification of Lithium Battery Fires in Internal Short Circuit, ACS Energy Letters 2024, 9, 5747–5755. https://pubs./doi/full/10.1021/acsenergylett.4c02564

運(yùn)營/排版：何晨龍