鋰離子電池安全難題或有新解

文／劉利彬

隨著人類對能源的消耗日益增加，環境污染與能源短缺危機也愈演愈烈，發展清潔可再生能源對人類社會可持續發展有著越來越重要的意義。充分利用可再生能源、大力發展電動汽車產業，已被列入我國新興產業創新驅動發展的國家戰略。

近日，國務院發布的《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》指出，發展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路，是應對氣候變化、推動綠色發展的戰略舉措。其實，不少地方政府一直在積極支持和推動新能源汽車產業的發展，新能源汽車及儲能產業已經成為當地國民經濟重要的支柱性、基礎性產業。但是，可再生能源與電力需求在時間和空間上存在不匹配的問題，大部分可再生能源，需要先被轉化為其他可存儲形式的能源再進行利用。

在新能源研究過程中，日本索尼公司發明的第一個商業化鋰離子電池，打開了可充電研究領域的大門，經過不斷更新，具有能量密度高、循環壽命長、輕巧便攜等多種優點的鋰離子電池，迅速出現在人們日常生活和工業生產的方方面面，極大地促進了長續程電動汽車的開發，并為存儲未來可再生能源提供了無限可能。2019年10月9日，諾貝爾化學獎授予了為鋰離子電池發展作出卓越貢獻的三位科學家，進一步肯定了鋰離子電池的時代價值。

隨著能量密度的提高，不斷被報道的鋰電池起火爆炸事故也為人們敲響了警鐘。鋰離子電池安全問題來源于內部易燃電池組分和外部濫用條件等多種原因，要從根本上消除鋰離子電池的火災安全隱患，仍需提高內部電池材料的安全性。

目前大量研究表明，作為內部電池材料之一的已被廣泛商用的液態電解質，參與了鋰離子電池熱失控過程的大部分反應，因此傳統的液態電解質動力電池無法滿足國家需求。基于這一情況，固態電解質進入人們的視線。

固態電解質是指在固體狀態時就具有與熔融鹽或液體電解質相近的離子電導率的材料。首先，固態電解質的材料一般燃點很高，甚至不可燃，自身的安全性可以得到保證；其次，固態不流動的特性使得電池不會出現漏液現象，從而簡化了電池的結構設計；另外，固態電解質擁有良好的機械性能，具有抑制金屬鋰在應用時的缺陷——鋰枝晶的形成；還有，固態電解質可能比液態電解質具有更寬的電化學窗口，有利于提高電池的工作電壓；特別是某些固態電解質在常溫下的表現，超過液態電解質，甚至固態電解質還可以支持電池在更寬的溫度范圍內工作。因此，開發固態電解質有望在提高電池性能的基礎上解決安全問題。

盡管固態電解質在實際中還沒有被廣泛應用，但近年來固態電解質在研究上已經取得了很多突破，這也是近十年來電解質研究領域的熱點。總之，液態電解質容易泄露造成的安全隱患一直是儲能器件至關重要的問題，并且液態電解質電池的能量密度已接近極限，隨著社會大眾對能源使用量的不斷增長，傳統的液態電解質動力電池無法滿足能源發展的需求。固態電解質儲能體系具有高能量密度和高安全性能，是研究下一代鋰離子電池的革命性技術，已成為產業界和科學界的共識，因此研究和開發新型固態電解質，符合我國能源戰略需求。