固態(tài)電池比傳統(tǒng)鋰離子電池更安全嗎？

一般認為，全固態(tài)電池比傳統(tǒng)的鋰離子電池更安全。但事實真的是這樣嗎？來看看來自美國能源部的研究人員怎么說。

近幾年一系列電池火災事件引發(fā)了人們關于鋰離子電池安全性問題的討論。其中一種可能的解決辦法是用固態(tài)電池替代，它是利用不易燃的固態(tài)電解質代替易揮發(fā)和易燃的液態(tài)電解質。這種固態(tài)電解質的安全優(yōu)勢已得到廣泛認可。然而，具有高能量密度的鋰金屬負極固態(tài)電池的安全性尚未得到嚴格評估。

美國能源部國家實驗室Alex M. Bates等人利用第一熱力學模型定量評估了固態(tài)電池和鋰離子電池在幾種失效情況下的熱量釋放。（全）固態(tài)電池中的固態(tài)電解質采用的是Li7La3Zr2O12。固態(tài)電解質與正極之間添加了微量液態(tài)電解質改善界面阻抗。

結果表明，短路的全固態(tài)電池具有比傳統(tǒng)鋰離子電池高得多的溫度，這些熱量的釋放可能會通過易燃包裝或附近的其它材料而導致火災。

該結果發(fā)表在國際頂級期刊《Joule》上。

圖片來源《Joule》論文截圖

本文考慮了三種失效模式

1.外部熱源導致的熱失控；

2.內部短路（鋰枝晶引發(fā)的短路）；

3.固態(tài)電解質的機械失效。

全固態(tài)（ASSB）、固態(tài)（SSB）、傳統(tǒng)鋰離子（LIB）電池構型（圖片來源《Joule》論文截圖）

其中，ASSB中不含任何液態(tài)電解質，SSB的正極側含少量液態(tài)電解質，液態(tài)電解質（LE）溶劑是碳酸甲乙酯（EMC），正極采用LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2（NMC111）。

熱釋放與LE體積分數(shù)的關系（圖片來源《Joule》論文截圖）

失效模式A下，添加少量LE的SSB比ASSB產(chǎn)生的熱量更多，但仍比LIB少得多。對于SSB，當體積分數(shù)高于0.125時，正極產(chǎn)生的O2已經(jīng)與LE反應完全，形成一個平臺。由于LE與負極Li反應，所以LIB的體積分數(shù)在0.3時上會有一個平臺。值得注意的是，由于NMC的氧損失是吸熱的，當LE的體積分數(shù)小于0.08時，熱釋放可忽略。其它失控模式下，ASSB和SSB并不比LIB更安全。短路失效模式在ASSB、SSB和LIB中的熱釋放是相同的。失效模式C下，反應的熱釋放可能是巨大的。

體積和質量熱釋放的比較（圖片來源《Joule》論文截圖）

基于電池類型和能量密度的潛在升溫（圖片來源《Joule》論文截圖）

總結

1.在這項工作中，作者利用熱力學模型分析問題。雖然在外部加熱失效模式下（全）固態(tài)電池更安全，但在短路或SE完整性受損時，ASSB不一定比LIB更安全。

2.短路是ASSB的常見問題，因為鋰枝晶可以通過SE生長并到達正極。隨著SE變得更薄，防止枝晶生長的能力會進一步降低。

3.目前的工作表明，能量密度、SE厚度和電池設計的演變會影響潛在的安全問題。

4.正極側低于10%體積分數(shù)的LE可能在成本、可制造性、性能和熱失控之間提供最佳選擇。

隨著對更高能量密度的追求，失效時的最高溫度將會增加，將對安全性產(chǎn)生重大影響。