贺艳兵教授：高安全性高能量密度锂电池和材料研究

2017-11-15 09:01

“动力电池系统所采用的电芯，其能量密度非常高，以磷酸铁锂电芯为例，能量密度可达120Wh/kg，换算成焦耳，1千克的磷酸铁锂电芯含有120×3600焦耳=0.43 MJ，蕴含的能量相当于103克的TNT炸药。一辆纯电动汽车，其使用的电芯以100公斤电芯计算，总能量就相当于10公斤TNT炸药。”贺艳教授强调到，动力电池的安全是核心问题！尤其是目前常见的低温环境和快速充电两种极端条件下的使用安全。

贺教授分析，导致锂二次电池安全性问题主要有两方面因素：易挥发、易燃烧、易分解的液态电解液及与正负极间副反应导致的热失控；聚烯烃隔膜受热易收缩变形，导致电池短路，引发安全事故。因此，减小电极材料和电解液热反应面积对提高电池安全性非常重要。

针对目前电池安全性问题，贺教授提出了几个改进建议：1）降低电解质的可燃性；2）提高电极材料的热稳定性；3）构筑稳定的电极保护层；4）减少液态电解液和电极的热反应面积，如下图所示。

随后的演讲中，贺教授从三个方面给现场观众分享了他近年来研究的成果。

1、钛酸锂电池胀气机理和抑制方法研究及高密度材料的设计

钛酸锂电池严重的产气行为，尤其是在高温条件下是目前产业界遇到的最大障碍，而且LTO电池产气始终发生，即使电池只存储，不循环。但是商业石墨电池没有上述行为，致使产气的因素到底是什么？贺教授认为水份与电解液发生反应产生气体，致使电池胀气。因此对钛酸锂电池的产气机理和解决机制研究以及合成无产气高密度高性能钛酸锂材料显得尤为重要。

在经历了探索后，贺教授发现碳包覆能够有效抑制钛酸锂电池的胀气行为！作用机理是什么呢？首先，产气反应是一个电化学和化学的混合过程。而后，经过研究发现，碳包覆调控钛酸锂/电解液界面—协同SEI膜，解决产气行为。最后，设计和制备了致密结构钛酸锂电极材料，能实现快速充电性能和高体积能量密度。

自组装形成由纳米钛酸锂晶体构成的亚微米致密结构碳包覆球形钛酸锂

2、聚合物固态电解质原位制备及界面构筑

贺教授认为，理想的锂电池电解质应具有这些特点: 高离子电导率；化学/电化学稳定性良好的电极/电解质界面接触；足够的机械强度；良好的柔性和高安全性。目前，不管无机还是有机固态电解质，都存在不足。