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固态锂电池:能否卫冕能源王国“宝座”
来源:学习时报    作者:张乃千    2017-03-08 07:48:17

  固态锂电池的前世今生

  提起锂电池,你一定不陌生。手机、数码相机、便携式计算机和移动电源,从20世纪50年代发展起来的锂电池早已“飞入寻常百姓家”。然而,当手机屏幕上出现电池高温预警时,当各类手机频频发生电池爆炸事件时,谁又该为锂电池的安全问题来买单?

  如果把锂电池比作一块三明治,那么正负电极就好比是两片面包,电解质则是中间层的夹心。当锂电池在充放电时,锂离子就通过中间的夹心层从一个电极到达另一个电极,正是由于中间液态夹心层的不稳定,才造成了整个锂电池的问题频出。如果将液态夹心层换成固态介质,会不会成就体积更小、重量更轻而且更加安全的储能新装备呢?

  目前,固态锂电池的研发焦点集中在中间夹心层的固态电解质选择上,斯坦福大学的研究人员甚至通过人工智能和机器学习的方法,从数以万计的各类物质中进行甄选,找到了20多种在未来有可能替代液态电解液的固体物质。此外,人们还创造性地提出了一种“刚柔并济”的固态锂电池设计理念,预计将使用复合电解质材料制备出性能优异的高能量密度全固态锂电池。

  优势颇多的“好宝贝”

  其实,相比于其他储能老前辈,应用和发展相对较晚的锂电池已经具备了超越前者的安全性、长寿命、充放电效率高和组装加工简单等独特优势,因而一直被视为最具竞争力的电化学储能技术之一。人们尝试用固态电解质为锂电池“脱胎换骨”,也自然包含着对其在未来能源应用上的殷切希望。

  单说安全性能上,固态锂电池就实现了质的突破。由于固态锂电池采用的是固态电解质,稳定性极好,大大避免了液态电解质在高温下“火花四射”出现副反应、氧化分解、产生气体甚至自燃的危险局面。通过实验已经证实,采用固态电解质的锂电池可轻易承受100℃高温,即使被水煮了也可不改“英雄本色”。此外,固态锂电池还有望练就“金刚之身”,即使对固态锂电池进行穿钉实验,固态锂电池也并未爆炸起火,且在拔出钉子后可自行恢复原有电压,充分彰显了固态锂电池良好的自我修复能力和安全性能。

  除了安全这张“拿手好牌”,固态锂电池还有许多独门绝技。固态电解质特有的密度和结构设计可让更多的带电离子聚集在一端,传导更大的电流,进而提升电池的容量,能量密度比采用同类型正极材料的锂电子电池高20%~ 30%。全固态锂电池的能量密度已经可以达到400瓦时/千克,这意味着在相同重量下全固态锂电池可提供更大的能量存储能力。目前,固态锂电池的商业应用价值甚至已经达到传统液态锂电池的2倍。此外,固态锂电池的封存也将变得更加简单方便,尤其是在电动汽车等大型设备应用时,不需要额外增加冷却管和电子控件等,大大节约了使用成本。

  上天下海或将无所不能

  日前,在著名汽车巨头宝马公司的突破性创新车载电池技术计划中,新型固态锂电池榜上有名。一旦研制成功,固态锂电池不仅将减轻身体重量,增加电容量,同时也可大幅度降低起火风险,促使安全性能得到较大提升。

  此次我国深潜器采用固态锂电池,正是由于在深海巨大压力条件下,具有高能量密度和高安全性的固态锂电池才是能源动力的最优解。除了下海,上天也是固态锂电池“施展拳脚”的地方。美国国家航空航天局就正在与相关高校合作,旨在研制一款体型小巧、能量充足的新型固态锂电池,将有望成为“立方体卫星”的动力之源。这种新型锂电池厚度仅为2毫米,有望彻底改变小型太空载荷的应用方式。

  事实上,现代战争的各类军事装备更离不开锂电池的保驾护航,美军早已将锂电池作为军队的标准电池系列进行广泛普及。如今,从电话、电台、军用计算机等单兵装备,到汽车、坦克、潜艇、战机等大型军用设备,都少不了锂电池的身影。正是高精尖武器对动力装置的性能和稳定性要求极高,固态锂电池势必成为提升相关装备性能的“倍增器”。

  此外,固态锂电池还有望在电动汽车、轨道交通、可再生能源、分布式储能、能量回收、绿色建筑等领域大显身手。英特尔正在开发一款可穿戴设备,预计就将采用固态锂电池。未来固态锂电池能否成功卫冕能源王国的“宝座”,尚拭目以待。

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