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內部短路起火時間不到3秒,王朝陽揭示全固態金屬鋰電池安全隱患

2024-11-19 22:40:14

近年來,全固態電池因具有高能量密度的潛在優勢,在新能源汽車和能源儲存領域備受關注。然而截至目前,全球範圍內的全固態電池尚未步入大規模量產階段。

全固態電池含有鋰金屬,並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?火箭推進劑是與它類似的材料,一旦熱失控,全固態電池會像火箭那樣發射嗎?

帶著這些最基本的科學問題,美國賓州州立大學王朝陽院士和日產汽車團隊聯合開展深入研究,為該領域敲響了“警鐘”:全固態鋰金屬電池沒有人們預期的那樣安全。

傳統觀點通常認為,鋰離子電池的安全隱患主要來自於液態電解液,人們曾希望用不可燃的固態電解質替代可燃電解液,來提高電池的安全性。

而該研究發現,在充電過程中,鋰從正極返回負極形成金屬鋰沉積。全固態電池內部短路時,金屬鋰成為了新的可燃物,這顛覆了人們對全固態電池安全性的傳統認知。

具體而言,金屬鋰的燃燒反應速度和劇烈程度都比電解液引發的熱失控更快,起火時間僅需 1 到 3 秒內。也就是說,全固態電池一旦採用鋰金屬作為負極材料,就不可避免地會面臨安全風險。

王朝陽表示,在全固態電池安全的基礎科學問題未取得實質性突破之前,大規模量產全固態電池可能會造成巨大的資源浪費和經濟損失。

他指出,“儘管全固態電池被想當然認為是更安全的,但解決鋰金屬燃燒的安全問題是繼續向產業化發展的前提條件。”

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

賓州州立大學葛善海副教授是第一作者,王朝陽教授擔任通訊作者。

該研究經歷了三年多時間,研究人員設計了一種新方法,對鋰離子電池和無負極電池在單層內部短路過程中,火災或冒煙的發生情況進行定量實驗研究。

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

該課題組揭示了鋰金屬全固態電池在內部短路時起火的閾值現象。他們透過對比不同充電狀態下的三元正極和磷酸鐵鋰正極,發現氧氣對電池的影響深遠。

實驗模擬了單層電池內部短路,使用 0.15Ah 無負極電池和鎳鈷錳三元材料 NMC811 陰極,結果在 2.6 秒內起火,並顯示出高度的可重複性。

熱力學計算發現,全固態電池中鋰金屬的燃燒熱與電解液相當。其中關鍵發現是,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起火,強調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,全固態電池在內部短路時的起火現象,比傳統鋰離子電池更劇烈、起火速度更快、燃燒熱釋放更大。

並且,現有的鋰離子電池包安全措施或許無法及時發揮作用,因為這些措施通常需要一定時間來反應,而全固態電池的熱失控速度遠超過現有安全設施的響應速度。

儘管業界對全固態電池技術產業化的預期和預測層出不窮,但歷史經驗表明,實現這一目標的過程充滿挑戰和不確定性。

早在 2015 年,豐田汽車就提出了全固態電池產業化的目標,但由於安全性、成本和生產規模等方面的一系列技術挑戰,這一目標的落地時間一再被推遲。

現在,業界普遍預計在 2030 年左右,才可能實現全固態電池的商業化,而在此之前必須突破電池安全的科學難題。

王朝陽認為,發展全固態電池,無論是材料、結構還是整個電池層面,首要目標都是提高其安全性。在該問題得到解決之前,討論效能和成本等其他問題不具有實際意義。

他進一步說道:“對產業界而言,技術落地的推遲可能帶來重大損失,因為這不僅涉及鉅額投資,還包括生產線的構建和人員投入等。”

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

該團隊希望學術界和產業界能夠在未來保持密切合作,聚集資源和人才加強技術攻關,從而共同加速推動全固態電池領域的發展和進步。

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 Letters2024, 9, 5747–5755. https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.4c02564

運營/排版:何晨龍

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