yygntqti的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/yygntqti

博文

凝聚态电池是什么?

已有 2066 次阅读 2022-8-29 11:11 |个人分类:锂电池|系统分类:科研笔记


早上起来看到的一个新名词,略作思考。

1. 起因

昨天(8月28日),宁德时代首席科学家吴凯在世界新能源汽车大会上又宣传了一波“凝聚态电池”,强调它是在全固态电池、半固态电池之外,“安全性高、可靠性高、循环寿命好”。许多报道还“贴心”(误导性)地附上了凝聚态物理的相关概念,比如搜狐网新闻:

搜狐网新闻.png

来源:https://www.sohu.com/a/580559033_114760

超流态、超导态、量子相变、量子场论、拓扑有序、石墨烯、碳纳米管……每一个概念单拿出来都能让不明真相的围观群众嗨上半天,直呼不明觉厉。

宁德时代的凝聚态电池究竟是个啥?

我没在现场,查了各种报道都没有能说清的,可能宁德时代也只宣传了概念,具体内容还待定。

 

2. 思考

锂电池作为当前最热门的电池类别,主要以液态有机溶液为电解质,俗称电解液。

锂电池被广为诟病的安全性问题基本都与电解液的热失控有关,比如:

1)内部短路。电极金属箔有毛刺、锂枝晶、外力挤压变形等都有可能造成隔膜破损、正负极直接接触、短路,电池内部放电产生大量热,使电解液蒸气压升高,继而膨胀、冲破外壳、燃烧、爆炸。是锂电池安全事故最主要的情形。

2)过充过放。过充时,正极脱锂过度后金属氧化物的结晶状态变得不稳定,严重时会分解、释放氧气,然后也是膨胀、冲破外壳、升温、燃烧、爆炸一条龙;过放时,负极脱锂过度导致SEI膜分解,产生包括CO2等在内的气体,然后当然也是一条龙。

3)漏液。电解液中的LiPF6会与空气中的水分剧烈反应,产生HF和PO5并大量放热,然后当然又是一条龙。

 

电解质溶剂的存在促进锂离子流动的同时也让其热失控风险大增,只要有一点点接触到空气就会进入升温、膨胀、燃烧、爆炸的热失控循环,由此伴生了固态锂电池的概念,使用固态的电解质以避免有机电解液易燃、易爆、电化学窗口窄等短板。

固态锂电池的核心是固态电解质,因为电极和隔膜在哪都是固体。固态电解质主要是聚合物固体电解质或无机固体电解质,参考论文[1]分类如下:

固态电解质分类.png


固态电解质的离子电导率普遍为10-4~10-3S/cm,比液态电解质低1-2个数量级。比电解质离子电导率偏低问题更严重的是界面电阻过大,原因是电极和固态电解质之间无法形成润湿(仅点接触、无渗透)。

润湿作用通常是指液体在固体表面上附着的现象,因此流体才能润湿

要解决电解质与电极之间的润湿问题有两种思路,一是使用电解液等流体电解质,二是用流体在固体电解与固态电解质之间进行连接,可以先连接再固化。

再仔细看一看论文[1]发现,用作固态电解质的聚合物电解质实际上就是流体。文章中提到:

“早期制备的PEO基聚合物电解质的室温离子电导率仅仅只有10-7~10-5Scm-1,这主要由于PEO是一种易于结晶的聚合物基体,在较低的温度下PEO基聚合物电解质内仅含有极其少量的无定形区,锂离子难以在聚合物的分子长链上进行定向迁移,因此很难满足室温条件下的实际应用。”。

对聚合物基体进行共混或者交联,通过降低聚合物的结晶度,可以有效提高复合聚合物固体电解质的室温离子电导率。

我学过高分子,对结晶问题太敏感了:如果要强制区分气液固态,非晶态聚合物应该属于液态。

非晶态聚合物分子排列无序,通常按照玻璃态、高弹态和粘流态进行区分,日常使用的塑料大多是玻璃态的,比如塑料袋、矿泉水瓶等,在较大的外力下可以观察到永久形变;日常使用的橡胶大多是高弹态的,比如轮胎、乳胶手套等,静置个半年一年的,就可以观察到永久形变;一些聚烯烃粘合剂要加热到粘流态后才能发挥“粘合”作用,比如EVA、POE等热熔胶。无论哪种状态,非晶态聚合物从未停止流动,只是流动速度快慢而已。

 

想到这里,我豁然开朗。

原来用“固态”、“半固态”描述电池电解质是不准确的,称作“凝聚态”包括气态、固态、液态、结晶态、等离子态等,虽然笼统但更加准确——虽然显得有点“空”,好像说了,又好像没说。希望宁德时代能给大家带来惊喜,融入一些amazing的材料。


3.感想

叫“固态”还是“凝聚态”,其实并不重要,重要的是安全性。

液态电解质锂电池为降低毛刺、锂枝晶、外力挤压变形等造成正负极短路的可能性,加入了隔膜进行隔离:或许安全性提升的里程碑首先体现为不需要使用隔膜。

至于让人浮想联翩的超流态、超导态、量子相变、量子场论、拓扑有序、石墨烯、碳纳米管等概念,估计又是媒体强行加进去博眼球用的。


[1]吴敬华,杨菁,刘高瞻,王脂胭,张秩华,俞海龙,姚霞银,黄学杰.固态锂电池十年回顾与展望[J/OL].储能科学与技术:1-30[2022-08-29].DOI:10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0309.




https://m.sciencenet.cn/blog-3528455-1353107.html

上一篇:表面活性剂和相转移剂的关系
下一篇:暖秋——秋天的第一首诗

2 尤明庆 晏成和

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2023-2-2 23:30

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部