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南策文院士:研发高端纳米陶瓷隔膜技术,打造高比能锂电池安全芯
发布时间:2018-5-22  作者:Admin  来源:中国网  浏览量:1459

南策文院士:研发高端纳米陶瓷隔膜技术,打造高比能锂电池安全芯

 

  在日前召开的“2018首届中国新能源动力电池暨储能产业大会”上,中国科学院院士、清华大学材料科学与工程研究院院长南策文就动力电池材料、能量密度、安全性等问题和与会嘉宾进行了交流分享。


  解决高能量密度锂离子电池安全性难题


  南策文指出,动力电池有非常清晰的目标路线图,对电芯的发展很重要。材料在电池的研制中占有重要地位,在某些技术方面甚至是第一位的。锂离子电池是复杂的复合材料体系,包括多相正极材料、多相负极材料、电解液、(复合)隔膜、铜箔、铝箔等。锂电池要通过内部多种材料协同配合才能运作,要通过整个系统去优化,才能把电池的能量、功率、安全性、寿命、成本等做到最优。


  动力电池的能量密度理论上跟很多因素有关,正极和负极材料决定了电池可以做到多高的密度。目前锂离子电池能量提升的途径主要是通过应用高能电极材料,运用高比能的材料组合来实现,但是高压电极容易引起液态电解液分离的安全问题。


  南策文介绍,锂离子电池能量继续提升的途径是通过结构设计、集成技术来实现,也就是进一步提高电池器件集成度,增大电芯尺寸和单体电池尺寸。但是这样会造成隔膜机械强度降低的问题,容易发生热失控,降低电池的安全性。


  研发纳米陶瓷隔膜技术 打造电池“安全芯”


  南策文表示,解决以上问题有很多途径,其中一个重要途径就是通过陶瓷隔膜来提高安全性,打造安全芯。把陶瓷隔膜纳米颗粒涂覆在隔膜上,可以增加隔膜强度。以现有的动力电池业态发展来看,“安全芯”的隔膜技术发展有三个阶段。


  第一阶段是高端纳米陶瓷隔膜技术。采用纳米陶瓷纤维隔膜,其结构和蜘蛛网类似,具有更高的保液量、更低的直流内阻、更好的循环寿命、更低的热收缩、更好的机械强度、更佳的安全性,尤其在耐热性等方面具有很大的颠覆力。


  第二阶段是Li传导纳米陶瓷隔膜技术。这种活性的陶瓷隔膜,具有独特的高安全性、高Li离子传导活性,大大提高了大倍率下的性能和高温性能,减少了电解液用量,对势能的提升也有非常大的帮助。


  第三阶段是固态锂电池技术。即把“电解液+隔膜”变成固体电解质。这种固体电解质第一个作用是快速传导,第二个作用是断隔作用,这是一个理想的作用。


  安全性超强的固态软包电芯电池


  “我们的团队做了一些固态软包电芯产品,”南策文谈道,“这类电池挤压后不会发生短路,而且可以看到经过两次穿刺后,其充放电曲线依然正常,气容量发挥率约80%,保护率比较高。”


  南策文还介绍,将其团队研发的固态软包电芯产品充电至4.3V,侧方向挤压变形大于50%,也未出现冒烟起火、燃烧爆炸等问题。把针刺后的产品充满电,再进行重物冲击,也没有出现起火、燃烧等情况。对电池充电后,进行短路测试,最高温度达64.3℃,最大电流达47.9A。电池也没有出现冒烟、起火、爆炸等问题,依旧可以保持电容量。并且测试后也没有发现胀气等异常情况。


  固态电解质可以解决安全问题,并且可以做到更高的比能量。固态软包电芯产品可以达到300Wh/kg-400Wh/kg,甚至可以超过431Wh/kg。南策文介绍,另一种柔性固态电芯,经过两回弯折后很快恢复,比能量没有降低,无论是弯折也好,卷曲甚至是对折也好,都不会出现问题。把该电池放入150℃水中2小时,电池没有出现起火、爆炸的情况。


  根据国家产业政策,对提高锂电池的能量比重提出了很大要求,但是长期以来,锂电池存在能量密度越高,其安全性越低的科学顽疾,而纳米陶瓷隔膜技术的出现打破了这个魔咒,打造出了使锂电池不怕刺、不怕摔、不拍折的“安全芯”,在这个急需突破现有技术瓶颈的关键时期,无疑为整个动力电池业注入一支强心剂。

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