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固態(tài)電池與傳統(tǒng)鋰離子電池哪個(gè)更安全?

固態(tài)電池與傳統(tǒng)鋰離子電池哪個(gè)更安全?

發(fā)布人:Jay 發(fā)布時(shí)間:2022-03-22 瀏覽次數(shù):1798

  一般認(rèn)為,全固態(tài)電池比傳統(tǒng)的鋰離子電池更安全。但事實(shí)真的是這樣嗎?今天我們來一起看看固態(tài)電池與傳統(tǒng)鋰離子電池哪個(gè)更安全?

  近幾年一系列電池火災(zāi)事件引發(fā)了人們關(guān)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(zhì)代替易揮發(fā)和易燃的液態(tài)電解質(zhì)。這種固態(tài)電解質(zhì)的安全優(yōu)勢(shì)已得到廣泛認(rèn)可。然而,具有高能量密度的鋰金屬負(fù)極固態(tài)電池的安全性尚未得到嚴(yán)格評(píng)估。

  美國能源部國家實(shí)驗(yàn)室Alex M. Bates等人利用第一熱力學(xué)模型定量評(píng)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(zhì)采用的是Li7La3Zr2O12。固態(tài)電解質(zhì)與正極之間添加了微量液態(tài)電解質(zhì)改善界面阻抗。

  結(jié)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(huì)通過易燃包裝或附近的其它材料而導(dǎo)致火災(zāi)。

  該結(jié)果發(fā)表在國際頂級(jí)期刊《Joule》上。

  今天大家一起考慮了三種失效模式:

  1、外部熱源導(dǎo)致的熱失控;

  2、內(nèi)部短路(鋰枝晶引發(fā)的短路);

  3、固態(tài)電解質(zhì)的機(jī)械失效。

全固態(tài)(ASSB)、固態(tài)(SSB)、傳統(tǒng)鋰離子(LIB)電池構(gòu)型圖

全固態(tài)(ASSB)、固態(tài)(SSB)、傳統(tǒng)鋰離子(LIB)電池構(gòu)型圖

  其中,ASSB中不含任何液態(tài)電解質(zhì),SSB的正極側(cè)含少量液態(tài)電解質(zhì),液態(tài)電解質(zhì)(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?jǐn)?shù)的關(guān)系圖

熱釋放與LE體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系圖

   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(duì)于SSB,當(dāng)體積分?jǐn)?shù)高于0.125時(shí),正極產(chǎn)生的O2已經(jīng)與LE反應(yīng)完全,形成一個(gè)平臺(tái)。由于LE與負(fù)極Li反應(yīng),所以LIB的體積分?jǐn)?shù)在0.3時(shí)上會(huì)有一個(gè)平臺(tái)。值得注意的是,由于NMC的氧損失是吸熱的,當(dāng)LE的體積分?jǐn)?shù)小于0.08時(shí),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(yīng)的熱釋放可能是巨大的。

體積和質(zhì)量熱釋放的比較圖

體積和質(zhì)量熱釋放的比較圖
基于電池類型和能量密度的潛在升溫圖

  基于電池類型和能量密度的潛在升溫圖

  總結(jié):

  1、在這項(xiàng)工作中,作者利用熱力學(xué)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(shí),ASSB不一定比LIB更安全。

  2、短路是ASSB的常見問題,因?yàn)殇囍Э梢酝ㄟ^SE生長(zhǎng)并到達(dá)正極。隨著SE變得更薄,防止枝晶生長(zhǎng)的能力會(huì)進(jìn)一步降低。

  3、目前的工作表明,能量密度、SE厚度和電池設(shè)計(jì)的演變會(huì)影響潛在的安全問題。

  4、正極側(cè)低于10%體積分?jǐn)?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。

  5、隨著對(duì)更高能量密度的追求,失效時(shí)的最高溫度將會(huì)增加,將對(duì)安全性產(chǎn)生重大影響。

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