固態(tài)電池是一種使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池，可以從本征上解決鋰電池高溫起火的安全問題。中國電力科學研究院有限公司牽頭研制的固態(tài)高安全儲能鋰電池解決了電池起火問題，已開始規(guī)模化生產(chǎn)，將應用于兆瓦時級儲能集裝箱示范工程。
11月11日，中國電力科學研究院有限公司儲能與電工新技術(shù)研究所固態(tài)高安全儲能電池團隊開展了1兆瓦時儲能集裝箱示范工程電池單體熱失控實驗。團隊將電池單體加熱到300攝氏度后，電池單體沒有出現(xiàn)起火爆炸和熱失控擴散情況。
出現(xiàn)熱失控時的溫度是儲能單體電池和電池模組最重要的安全指標。造成熱失控的根本因素是電池內(nèi)部高分子隔膜和有機電解液的不穩(wěn)定性。2019年1月份，固態(tài)高安全儲能電池團隊通過對鋰離子電池內(nèi)部傳導物質(zhì)進行改性，研制出固態(tài)高安全儲能鋰電池，可以阻斷電池內(nèi)部熱失控，提升儲能電池的安全性能。目前，團隊正探索在更多領(lǐng)域應用這種電池。
從材料源頭切斷電池熱失控路徑
“在電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，高分子隔膜能起到物理阻隔正負極的作用，但遇到高溫會發(fā)生熱收縮，引起電池短路，觸發(fā)熱失控。在一定溫度下，電池內(nèi)部的可燃物——有機電解液會燃燒，導致電池起火、爆炸。”在1兆瓦時儲能集裝箱示范工程電池單體的熱失控實驗前，固態(tài)高安全儲能電池團隊負責人金翼介紹。
團隊提出了具有可行性的解決思路：利用新型的無機隔膜材料取代有機隔膜，阻斷正負極接觸，在電池正負極之間構(gòu)筑起一道“防火墻”，同時向電解液中摻入一定比例的固體電解質(zhì)，降低電池內(nèi)部的可燃物占比。
如何降低隔膜的厚度、保證其均勻性是新型無機隔膜制備需要重點攻克的難題。通過對隔膜基礎(chǔ)材料顆粒的尺寸和分布情況進行探索，2018年10月份，團隊研究出一整套技術(shù)，制備出固態(tài)高安全儲能鋰電池樣品。
熱失控實驗驗證，電池樣品耐熱失控實驗溫度遠超過國家標準規(guī)定溫度。“我們將單體電池成品放進熱箱，當熱箱溫度達到300攝氏度時，電池僅出現(xiàn)了鼓脹，未發(fā)生起火爆炸現(xiàn)象。”團隊成員于冉介紹。
預制集裝箱、建于城市核心區(qū)的變電站和配網(wǎng)的儲能系統(tǒng)、保電應急及數(shù)據(jù)機房后備電源等多種應用場景均對電池的安全性要求較高。為此，2020年6月份開始，項目團隊進一步開展探索，在1兆瓦時儲能集裝箱示范工程中設(shè)計應用固態(tài)高安全儲能電池模組，以驗證固態(tài)電池在實際工程應用的可行性。
在關(guān)鍵環(huán)節(jié)帶動電池產(chǎn)業(yè)升級
11月6日，固態(tài)高安全儲能電池團隊成員孫召琴接到固態(tài)高安全儲能鋰電池生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品報表。數(shù)據(jù)顯示，該企業(yè)在一星期內(nèi)批量生產(chǎn)的固態(tài)電池產(chǎn)品已經(jīng)達到200千瓦時。這得益于固態(tài)高安全儲能鋰電池的“隔膜電極一體化結(jié)構(gòu)”生產(chǎn)工藝。
為了能夠滿足實際生產(chǎn)要求，2019年5月份，團隊設(shè)計提出了“隔膜電極一體化結(jié)構(gòu)”，并明確了生產(chǎn)技術(shù)路線、設(shè)備選用、參數(shù)設(shè)置等一系列問題。在生產(chǎn)工藝方面，團隊決定沿用傳統(tǒng)鋰離子電池的流延涂布技術(shù)。這與現(xiàn)有工藝重疊度達到99%以上，制備可操作性強，無須升級、改進生產(chǎn)設(shè)備，可滿足現(xiàn)階段大規(guī)模生產(chǎn)的需求。
針對1兆瓦時儲能集裝箱示范工程，團隊的設(shè)計方案是布局約5簇電池模塊，每簇約210千瓦時。這需要多家電池生產(chǎn)廠商來完成。2019年以來，項目團隊已經(jīng)與武漢、北京等地幾家電池企業(yè)簽訂了批量生產(chǎn)協(xié)議。目前，該項目電池單體的生產(chǎn)已經(jīng)接近尾聲。
考慮到儲能工程后續(xù)的工作狀態(tài)，團隊還開展了“電化學-熱”特性耦合仿真分析和算法研究。團隊在電池內(nèi)部設(shè)計了多層級、多場耦合熱管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了電池模組工作狀態(tài)的長時間動態(tài)監(jiān)控。
接下來，團隊將進行固態(tài)電池模塊及系統(tǒng)的集成設(shè)計工作。預計今年年底，電池模塊及系統(tǒng)將批量用于1兆瓦時儲能集裝箱示范工程。
推動固態(tài)鋰離子電池多場景應用
10月25日，固態(tài)高安全儲能鋰電池技術(shù)成果獲得第三屆中央企業(yè)熠星創(chuàng)新創(chuàng)意大賽優(yōu)秀獎。目前，中國電科院已與3家電池生產(chǎn)企業(yè)達成初步合作意向。這進一步擴大了固態(tài)鋰離子電池技術(shù)成果的應用范圍，將推動儲能電池產(chǎn)業(yè)化，具有重要的社會效益和經(jīng)濟效益。
根據(jù)固體電解質(zhì)的種類，全固態(tài)電池可以劃分為兩類——基于無機電解質(zhì)的全固態(tài)電池和基于聚合物電解質(zhì)的全固態(tài)電池。
前者自身阻抗較大，電化學性能并不理想。后者具備柔性特性，能夠降低電極與電解質(zhì)之間的界面阻抗，獲得較好的電化學性能，而且可以借鑒傳統(tǒng)鋰離子電池的制備方法，在工藝流程上具有天然優(yōu)勢，適用于多種電池體系及應用場景，在儲能、新能源汽車、智能裝備、無人機等領(lǐng)域有很大發(fā)展?jié)摿Α?/div>
縱觀基于聚合物電解質(zhì)的全固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展趨勢，從半固態(tài)電池到準固態(tài)電池，再到無液體的全固態(tài)電池，逐漸減少內(nèi)部液體是關(guān)鍵。
近年來，基于聚合物電解質(zhì)的全固態(tài)電池進入較快發(fā)展階段。業(yè)內(nèi)的技術(shù)研究路線是采用固體電解質(zhì)代替有機電解液，實現(xiàn)鋰離子在正負極間的傳輸。“我們的研究主要是基于復合固態(tài)電解質(zhì)成膜，將液體含量控制在5%以內(nèi)，實現(xiàn)鋰離子快速傳導，其工作原理與傳統(tǒng)鋰離子電池相同。”金翼說。
技術(shù)的發(fā)展直接推動應用。該技術(shù)成果可以用于鋰離子電池的所有產(chǎn)品，成熟度較高，已經(jīng)形成自主核心知識產(chǎn)權(quán)。與現(xiàn)有鋰離子電池相比，固態(tài)高安全儲能鋰電池體積小，更加穩(wěn)定安全，成本與現(xiàn)有商品電池持平，可以為不同類型、不同應用目標的場景提供安全解決方案。
目前，團隊正研發(fā)下一代長壽命、寬溫域高安全固態(tài)電池。未來，除預制集裝箱儲能系統(tǒng)外，安全固態(tài)電池將在更多的變電站、配電自動化終端、通信基站的操作和后備電源系統(tǒng)中應用，緩解安全保障壓力，減少人工運維工作量。
