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南策文院士:研發高端納米陶瓷隔膜技術,打造高比能鋰電池安全芯
發布時間:2018-04-24 10:28:00
關鍵詞:動力電池 鋰電池

南策文院士:研發高端納米陶瓷隔膜技術,打造高比能鋰電池安全芯

  在日前召開的“2018首屆中國新能源動力電池暨儲能產業大會”上,中國科學院院士、清華大學材料科學與工程研究院院長南策文就動力電池材料、能量密度、安全性等問題和與會嘉賓進行了交流分享。

  

  解決高能量密度鋰離子電池安全性難題

  

  南策文指出,動力電池有非常清晰的目標路線圖,對電芯的發展很重要。材料在電池的研制中占有重要地位,在某些技術方面甚至是第一位的。鋰離子電池是復雜的復合材料體系,包括多相正極材料、多相負極材料、電解液、(復合)隔膜、銅箔、鋁箔等。鋰電池要通過內部多種材料協同配合才能運作,要通過整個系統去優化,才能把電池的能量、功率、安全性、壽命、成本等做到最優。

  

  動力電池的能量密度理論上跟很多因素有關,正極和負極材料決定了電池可以做到多高的密度。目前鋰離子電池能量提升的途徑主要是通過應用高能電極材料,運用高比能的材料組合來實現,但是高壓電極容易引起液態電解液分離的安全問題。

  

  南策文介紹,鋰離子電池能量繼續提升的途徑是通過結構設計、集成技術來實現,也就是進一步提高電池器件集成度,增大電芯尺寸和單體電池尺寸。但是這樣會造成隔膜機械強度降低的問題,容易發生熱失控,降低電池的安全性。

  

  研發納米陶瓷隔膜技術 打造電池“安全芯”

  

  南策文表示,解決以上問題有很多途徑,其中一個重要途徑就是通過陶瓷隔膜來提高安全性,打造安全芯。把陶瓷隔膜納米顆粒涂覆在隔膜上,可以增加隔膜強度。以現有的動力電池業態發展來看,“安全芯”的隔膜技術發展有三個階段。

  

  第一階段是高端納米陶瓷隔膜技術。采用納米陶瓷纖維隔膜,其結構和蜘蛛網類似,具有更高的保液量、更低的直流內阻、更好的循環壽命、更低的熱收縮、更好的機械強度、更佳的安全性,尤其在耐熱性等方面具有很大的顛覆力。

  

  第二階段是Li傳導納米陶瓷隔膜技術。這種活性的陶瓷隔膜,具有獨特的高安全性、高Li離子傳導活性,大大提高了大倍率下的性能和高溫性能,減少了電解液用量,對勢能的提升也有非常大的幫助。

  

  第三階段是固態鋰電池技術。即把“電解液+隔膜”變成固體電解質。這種固體電解質第一個作用是快速傳導,第二個作用是斷隔作用,這是一個理想的作用。

  

  安全性超強的固態軟包電芯電池

  

  “我們的團隊做了一些固態軟包電芯產品,”南策文談道,“這類電池擠壓后不會發生短路,而且可以看到經過兩次穿刺后,其充放電曲線依然正常,氣容量發揮率約80%,保護率比較高。”

  

  南策文還介紹,將其團隊研發的固態軟包電芯產品充電至4.3V,側方向擠壓變形大于50%,也未出現冒煙起火、燃燒爆炸等問題。把針刺后的產品充滿電,再進行重物沖擊,也沒有出現起火、燃燒等情況。對電池充電后,進行短路測試,最高溫度達64.3℃,最大電流達47.9A。電池也沒有出現冒煙、起火、爆炸等問題,依舊可以保持電容量。并且測試后也沒有發現脹氣等異常情況。

  

  固態電解質可以解決安全問題,并且可以做到更高的比能量。固態軟包電芯產品可以達到300Wh/kg-400Wh/kg,甚至可以超過431Wh/kg。南策文介紹,另一種柔性固態電芯,經過兩回彎折后很快恢復,比能量沒有降低,無論是彎折也好,卷曲甚至是對折也好,都不會出現問題。把該電池放入150℃水中2小時,電池沒有出現起火、爆炸的情況。

  

  根據國家產業政策,對提高鋰電池的能量比重提出了很大要求,但是長期以來,鋰電池存在能量密度越高,其安全性越低的科學頑疾,而納米陶瓷隔膜技術的出現打破了這個魔咒,打造出了使鋰電池不怕刺、不怕摔、不拍折的“安全芯”,在這個急需突破現有技術瓶頸的關鍵時期,無疑為整個動力電池業注入一支強心劑。


作者: 金東      稿件來源: 電池中國網
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