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
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