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？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(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。

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(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（圖片來源：《Joule》論文截圖）

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(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(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生長并到達(dá)正極。隨著SE變得更薄，防止枝晶生長的能力會(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。

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

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