鋰電池的安全問題一直未被有效解決。
金屬鋰在充放電過程中容易產(chǎn)生鋰枝晶,堅(jiān)硬的鋰枝晶會(huì)刺穿隔膜引起短路和著火,所以科學(xué)家選用石墨替代金屬鋰作為負(fù)極材料。充放電過程中,鋰離子隨著電解液在正負(fù)極間往返運(yùn)動(dòng)。
但是這依舊無法杜絕鋰枝晶的形成,當(dāng)正負(fù)極材料中嵌入的鋰超過了承載范圍,依舊會(huì)產(chǎn)生鋰枝晶,帶來安全隱患。此外,有機(jī)電解液在高溫下會(huì)燃燒,也會(huì)帶來爆炸風(fēng)險(xiǎn)。
而鋰電池作為新能源的重要載體,無論在出行,還是儲(chǔ)能方面,都被寄予厚望。電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)就是通過建立規(guī)模化儲(chǔ)能電站,在用電低峰期將風(fēng)能太陽能等能源存儲(chǔ)起來,在用電高峰期再放電,緩解高峰期的用電壓力。
鋰電池儲(chǔ)能電站是目前的主流方案之一,以磷酸鐵鋰電池為主的鋰離子電池建設(shè)的儲(chǔ)能電站,已經(jīng)在浙江、湖南、江蘇等省份建立。比起電動(dòng)汽車,大規(guī)模推進(jìn)鋰電池電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù),在安全上要求更為嚴(yán)格。
“電網(wǎng)儲(chǔ)能相當(dāng)于上萬個(gè)電池在一起,規(guī)模比電動(dòng)汽車大得多,如果出了安全性問題的話,是非常致命的,影響的范圍也會(huì)非常的大,并且影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定性。所以說它的安全性要求更嚴(yán)格。” 鄭州大學(xué)副教授金陽告訴《麻省理工科技評(píng)論》中國。
最近,他憑借發(fā)明的新型固態(tài)電解質(zhì)熔融鋰金屬電池體系,入選《麻省理工科技評(píng)論》“35歲以下科技創(chuàng)新35人”。
這種全新的鋰電池體系,采用固態(tài)電解質(zhì),以熔融金屬鋰作為負(fù)極材料,兼具高能量密度、低成本、高安全性的特點(diǎn),是未來鋰電儲(chǔ)能的理想方案。
圖 | 《麻省理工科技評(píng)論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”2020 年中國區(qū)榜單入選者金陽
金陽的本科專業(yè)是電氣工程,在碩博連讀期間,他前往美國麻省理工學(xué)院,跟隨李巨教授做研究期間開始接觸電池的研究。隨后,他又前往斯坦福大學(xué),跟材料學(xué)頂級(jí)學(xué)者崔屹繼續(xù)研究鋰電池。新的鋰電池體系就是在崔屹老師的指導(dǎo)下開始的。
其中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)是一個(gè) U 型的陶瓷管,由它來負(fù)責(zé)傳導(dǎo)鋰離子,同時(shí)又阻止聚硫化物或聚硒化物的穿梭效應(yīng)。這個(gè)結(jié)構(gòu)需要燒結(jié)來實(shí)現(xiàn),金陽從美國崔屹老師的實(shí)驗(yàn)室做到清華大學(xué)陶瓷國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。
這是因?yàn)?U 型管底部的曲面結(jié)構(gòu)成型條件復(fù)雜,在崔屹老師的實(shí)驗(yàn)室中,金陽嘗試了半年都沒有成功。交流期滿,他想繼續(xù)把研究做下去,聯(lián)系到在清華大學(xué)陶瓷國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的伍暉副教授,繼續(xù)在清華訪學(xué)了一年。
以這種陶瓷管作為電解質(zhì)的新型電池體系的結(jié)構(gòu)簡單,U 型陶瓷管作為電解質(zhì),負(fù)責(zé)傳導(dǎo)鋰離子,在 U 型管內(nèi)外分別裝載正負(fù)極材料。電池的負(fù)極采用熔融的金屬鋰,正極采用熔融合金。液 - 固 - 液的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)讓正負(fù)極液體與電解質(zhì)之間充分接觸,在充放電過程中可以實(shí)現(xiàn)鋰離子的快速運(yùn)輸。電池工作過程中,正負(fù)極材料都是熔融的金屬,高于鋰本身的熔點(diǎn),鋰晶枝無法產(chǎn)生并且存在,這就杜絕了鋰晶枝帶來的安全隱患。并且,固態(tài)電解質(zhì)即使在高溫情況下也不會(huì)燃燒,電池也因此更安全。
圖 | 新型電池結(jié)構(gòu)(來源:Nature Energy )
這種新型的電池的電流密度高達(dá) 500mA/cm2(175mW/cm2),庫倫效率平均可達(dá)到 99.98%。此外,這種電池的工作溫度也大大降低。與自 1960 年代以來報(bào)道的其它液態(tài)鋰金屬電池相比,工作溫度從 450°C 降至 240°C。這一工作溫度下可以使用聚合物材料進(jìn)行密封和絕緣,降低了電池的生產(chǎn)成本。
金陽介紹,如果電池在 500 度左右工作,需要通過陶瓷焊接進(jìn)行密封,成本較高。而在 200 多度的條件下,可以使用硅膠進(jìn)行密封,這就降低了電池的成本。
陶瓷電解質(zhì)耐高溫的特性也為電網(wǎng)儲(chǔ)能的情景下提供了更多的安全保障。“無論電池體系做多大,運(yùn)行功率多高,即使瞬間溫度提高到四五百度,也沒有任何問題,因?yàn)樘沾墒窃谝磺Ф喽鹊沫h(huán)境中燒結(jié)出來的。此外,如果運(yùn)行溫度突然下降,電池也會(huì)完全停止運(yùn)行,重新恢復(fù)到原來的運(yùn)行溫度后,電池可以續(xù)接啟動(dòng)。”
在入職鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院之后,金陽在院領(lǐng)導(dǎo)的支持下成立“鄭州大學(xué)電網(wǎng)儲(chǔ)能與電池應(yīng)用研究中心”,并擔(dān)任研究中心負(fù)責(zé)人,將這一電池體系的研究繼續(xù)推進(jìn)。
基于原有的固態(tài)陶瓷電解質(zhì)結(jié)構(gòu),開發(fā)了液態(tài)鋰硫和鋰硒電池,能量密度可以超過 500wh/kg 和 1000wh/L,并且將能量成本降低到 $20/kWh。電池還具有高功率特性和大于 1000 次的長循環(huán)壽命,以該電池作為動(dòng)力的電動(dòng)汽車可以實(shí)現(xiàn) 6 分鐘內(nèi)快速充滿電。
金陽在鄭州大學(xué)擔(dān)任電網(wǎng)儲(chǔ)能研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人,開發(fā)了新的鋰電池體系后,他從現(xiàn)實(shí)需求出發(fā),持續(xù)進(jìn)行研究。
從生產(chǎn)成本的角度考慮,儲(chǔ)能電網(wǎng)的規(guī)模大,與光伏、太陽能等發(fā)電技術(shù)配合使用,降低成本的需求更迫切。
金陽告訴《麻省理工科技評(píng)論》中國,“像光伏風(fēng)能它本身的成本已經(jīng)很低了,如果說我們儲(chǔ)能的成本降不下來的話,其實(shí)是無法與新能源相配合的,也不好去建儲(chǔ)能電站。”
2016 年的《中國鋰礦調(diào)查報(bào)告》顯示,中國有豐富的鹽湖鋰礦,占到全國鋰資源的 70% 以上。要利用好這些鋰礦,可持續(xù)性地生產(chǎn)高純度鋰非常重要。
新電池體系中的陶瓷固體電解質(zhì)具有高鋰離子選擇性。金陽利用這一特性,開發(fā)了一種從低純度氯化鋰直接提取高純度鋰金屬的方法。利用固體電解質(zhì)對(duì)于鋰離子的單一選擇性,可以篩除鉀、鈉等其他的金屬,提取出來的金屬鋰純度大于 99.7%,并且將生產(chǎn)成本降低為當(dāng)前國際鋰金屬價(jià)格的 20%以下。
下一步,金陽計(jì)劃將新型鋰電池體系進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化,首先是將單體電池盡量做大,從而減少電池系統(tǒng)管理的復(fù)雜度。金陽表示,希望能將單體電池做到實(shí)驗(yàn)室原型的十倍、甚至百倍大。在單體電池基礎(chǔ)上,完成 100Kw 的固態(tài)電解質(zhì)熔融鋰金屬電池模組中試,之后再建立 2MW 的儲(chǔ)能示范電站。
不過在新型的電池體系落地產(chǎn)業(yè)之前,眼下的儲(chǔ)能電網(wǎng)主要采用有機(jī)電解液磷酸鐵鋰電池,更緊迫的是需要解決安全隱患,也就是充放電過程中鋰枝晶析出帶來的火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)。
金陽與國家電網(wǎng)江蘇省電力公司合作進(jìn)行研究,開發(fā)出一種基于氫氣探測(cè)的微量鋰枝晶析出靈敏檢測(cè)方法。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),微量鋰枝晶析出的時(shí)候,會(huì)和石墨負(fù)極聚合物粘結(jié)劑發(fā)生反應(yīng),從而產(chǎn)生氫氣并溢出電池。氫氣在空氣中不存在,而目前商用的氫氣探測(cè)器的靈敏度能夠達(dá)到 1ppm。在電池溫度沒有異常時(shí),微米級(jí)的鋰枝晶(質(zhì)量約 0.00028 毫克,半徑約 50 微米)的析出也會(huì)觸發(fā)氫氣探測(cè)器報(bào)警。用這種將方法提供早期信號(hào),預(yù)警時(shí)間比熱失控提前 10 分鐘以上。這種方法可以提供儲(chǔ)能系統(tǒng)整體早期安全預(yù)警、消除熱失控事故發(fā)生。
圖 | 利用氫氣探測(cè)微量鋰枝晶析出(來源:Joule )
江蘇省 954.6MW 的儲(chǔ)能電站已經(jīng)安裝了氫氣探測(cè)器,金陽團(tuán)隊(duì)還參與修訂了鋰離子電池儲(chǔ)能電站的消防安全標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定新建設(shè)的儲(chǔ)能電站必須配備氫氣探測(cè)器以確保安全。
如今身為老師,金陽也在將從李巨、崔屹兩位老師身上學(xué)習(xí)到的科研態(tài)度傳給學(xué)生。
他從兩位老師身上體會(huì)最深的就是能夠去想別人沒有做過的東西,嘗試革命性的研究。兩位老師都堅(jiān)信,做研究就是要改變世界,他也在向這個(gè)方向努力。作為一位青年科學(xué)家,做出研究貢獻(xiàn)的同時(shí)能夠培養(yǎng)學(xué)生,兩者都讓他體會(huì)到滿足。
金陽回憶跟隨李巨老師做實(shí)驗(yàn)時(shí)的嚴(yán)格要求。老師會(huì)要求他把實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)細(xì)節(jié)每一個(gè)內(nèi)涵都搞清楚,非常難實(shí)現(xiàn)的驗(yàn)證也會(huì)嘗試去做。這樣最終成果的質(zhì)量就會(huì)非常高。跟隨崔老師做研究時(shí),開組會(huì)進(jìn)行頭腦風(fēng)暴,大家一起討論各種想法,雖然很多想法最終會(huì)被否定,但是這個(gè)過程鍛煉了思維能力。
“我現(xiàn)在也會(huì)去想,哪些東西別人壓根都不會(huì)去想,也不會(huì)去做,但是這個(gè)東西確實(shí)有用。這也是一個(gè)思維的和創(chuàng)新的能力,我覺得這個(gè)很重要。”
(責(zé)任編輯:子蕊)
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