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　　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)格評估。

　　美國能源部國家實驗室Alex M. Bates等人利用第一熱力學(xué)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(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，正極產(chǎn)生的O2已經(jīng)與LE反應(yīng)完全，形成一個平臺。由于LE與負(fù)極Li反應(yīng)，所以LIB的體積分?jǐn)?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(dāng)LE的體積分?jǐn)?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(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，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(dá)正極。隨著SE變得更薄，防止枝晶生長的能力會進(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)計的演變會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。