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青岛能源所在高能量密度固态电池研究中取得进展

导读: 青岛储能院已开发出6Ah大容量三元固态锂电池。能量密度超过250Wh/kg,循环寿命超过500圈,通过五次穿钉实验,固态电池并未起火和爆炸,安全性能极佳,而且在拔除钉子后电压有所恢复,这再一次彰显出固态电解质良好的自修复性能和安全性能。

  国家“十三五”规划加大了对新能源汽车尤其是纯电动汽车的布局与规划,而新能源汽车健康发展的关键是动力电池,固态电池是新能源汽车动力电池有效提高能量密度同时确保安全性的必由之路,而综合性能优异的新型固态电解质体系是发展固态电池的关键所在。当前固固界面的接触阻抗大问题一直是困扰和阻碍固态电池发展的瓶颈问题之一。如何降低固固界面接触阻抗已经成为科学界和产业界研发的热点和难点。

  依托中国科学院青岛生物能源与过程研究所建设的青岛储能产业技术研究院一直致力于高性能固态电池关键材料开发和固态电池固固界面的修复完善工作。该院研究团队创造性地提出了“刚柔并济”聚合物电解质的设计理念,创新性地构建了复合电解质材料体系,制备出一系列综合性能优异的固态聚合物电解质体系(Energy Storage Materials,2016,5,139-;Journal of Materials Chemistry A,2016,4,10070),有效解决了聚合物电解质各项性能不能兼顾的难题,发展了新型的固态电解质关键材料体系。

  针对固态电池发展中固固界面阻抗过大的瓶颈问题,储能院团队研究成员从改善固固界面接触问题入手,认真分析影响电池界面性能的诸多不利因素(Journal of Materials Chemistry A,2015,3,4092;Chemistry of Materials,2016,28,3578),总结科学问题和规律,借鉴电池固态电解质界面(SEI)的思路,创造性地提出“原位自形成固态电解质”的解决方案,采取原位聚合形成固态聚合物电解质技术路线,构筑一体化固态电池,有效降低界面阻抗和提升电池综合性能。该方法能够用于固态电池固固界面的修复,优化固固界面性能。基于此设计理念,青岛储能院研究团队将小分子量的VC(碳酸亚乙烯酯)通过原位自由基聚合形成高分子量的PVC(聚碳酸亚乙烯酯)固态聚合物电解质。经表征发现,该方法用于4.35V钴酸锂电池可极大降低界面阻抗并有效拓宽电化学窗口,大大提升了固态电池的循环稳定性和倍率性能(Advanced Sciences,2016,DOI:10.1002/advs.201600377)。此外,通过加热产生引发剂原位引发聚合形成聚三乙二醇二乙烯基醚固态聚合物电解质,构筑一体化离子电池,成功实现聚合物电解质/电极界面之间的紧密接触,降低界面阻抗,大大提升电池的循环稳定性(Small,2016,DOI:10.1002/smll.201601530)。“原位自形成固态电解质”的解决方案不仅可以有效降低固固接触阻抗;还能简化固态电池的制作步骤,与现有液态锂离子电池成产设备和工艺相兼容,具有广阔的产业化推广前景。

  鉴于电动汽车市场的快速发展以及国家“十三五”战略规划的宏观布局,迫切需要开发新型超高能量密度锂空二次电池。研发团队着眼于锂空电池,探索构筑了“三明治”锂空聚合物电解质,旨在提升锂空电池的综合性能(Advanced Science,2015,2,1500092;Advanced Energy Materials,2016,6,1600751)。

  在固态单体电池的器件制备方面,青岛储能院采用“刚柔并济”和“原位自形成机制”的聚合物电解质设计理念,已开发出6Ah大容量三元固态锂电池。能量密度超过250Wh/kg,循环寿命超过500圈,通过五次穿钉实验,固态电池并未起火和爆炸,安全性能极佳,而且在拔除钉子后电压有所恢复,这再一次彰显出固态电解质良好的自修复性能和安全性能。除此之外,固态锂电池机械强度高,已通过11000米模拟深海压力舱实验,现在正准备深海搭载实验。相关技术已申请中国发明专利29项,国际PCT专利3项。

  NCM(622)/SPE/Li固态锂电池安全测试——多次针刺电压\温度变化曲线(5次针刺)该项目得到中科院纳米先导专项长续航能力动力电池项目、山东省前瞻技术基金、青岛市储能基金和青岛能源所“135”项目大力支持。

NCM(622)/SPE/Li固态锂电池安全测试——多次针刺电压\温度变化曲线(5次针刺)

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