固体电解质及固态电池

锂电池的发明和广泛应用深刻地改变了人们生活的方方面面，为此，对锂电池的发明和发展做出重大贡献的三名科学家：J. B. Goodenough, M. S. Whittingham, A. Yoshino，荣获了2019年诺贝尔化学奖。但是，频频发生的电动汽车和手机的着火爆炸事件，使得人们对锂电池的安全性感到忧虑。另外，由于目前锂电池的能量密度不足，也严重限制了电动汽车的续航里程。

易燃易爆的电解液是目前锂电池着火爆炸的根源，因此，利用固体电解质替代电解液制作固态电池，可以显著提高锂电池的安全性。更进一步，使用金属锂负极和高电压正极，固态电池的能量密度可得到极大的提高。因此，固态电池被称为是“下一代的电池”。在2020年5月21日的一次会议上，Whittingham评论道：“I think solid state is the way to go,it certainly will be much safer than other approaches, but the real challenge is, can you manufacture it as cheap as you manufacture it with today’s world technology”（图1）。对固体电解质和固态电池的研究则是固态离子学实验室的第二个研究领域，我们团队是华中科技大学最早开展固态电池研究的团队，也是国内最早开展固态电池研究的团队之一。

图1. 2019年诺贝尔化学奖获得者M.S.Whittingham。Whittingham教授是国际学术期刊“Solid State Ionics”的创刊主编。

　　在这一领域中，我们研究了三类固体电解质材料：氧化物陶瓷（Li₇La₃Zr₂O₁₂ (LLZO),La_2/3-xLi_3xTiO₃ (LLTO)）、氧化物-聚合物复合固体电解质、聚合物固体电解质，而且，设计并成功合成了两类新型的固体电解质材料：LiTaSiO₅，MOF衍生固体电解质。其中，聚合物固体电解质可以完全阻燃，随意弯折并且能成制备成任意形态。更进一步，我们组装了固态电池，使用磷酸铁锂正极，LiFePO₄/固体电解质/Li电池已成功实现了充放电循环2000次以上，容量保持率高达87.6%；使用高镍三元正极，NCM811/固体电解质/Li电池也实现了充放电循环500次以上，电池容量保持率达81%。利用原位固化技术，我们研发的电池制作工艺能很好地与现有的电池生产工艺兼容。

图2. 软包固态电池的结构、充放电性能及主要参数

我们进行电池研究的目的是研发出有实际应用价值的高性能固态电池，为此，我们成功开发出Ah级的软包电池（图2），在实际工况条件下，其展现了安全、稳定的循环性能（图3）：①固态软包电池可在低温-58°C下工作，可满足寒冷地区使用需求；②固态电池可在高温120°C下循环，展现了高温稳定性；③在实际工况下，固态软包电池也表现了高比能（>400 Wh/kg），高倍率（10C）和长循环；④固态软包电池能通过针刺、机械碰撞、过充等滥用实验，具有极高的安全性。

图3. 固态软包电池可在各种极端环境下工作：a)常规、弯折、炙烤及裁切；b)-58.3°C的干冰低温环境；c)100°C的沸水高温环境

进一步，我们正在开发固态结构电池（图4）；结构电池既能提供能量输出，又能提供结构支撑作用。目前，纯电动车搭载的电池包是安装在汽车底盘上，占据非常可观的车重和体积，但使用结构电池时，动力电池不再是一个独立的存在，既是车辆的能量体，也是车身结构的一部分，可有效提高车身空间利用率，实现轻量化，又能在续航里程和安全性上有长足的提升。据测算，在纯电动汽车中使用结构电池可增加汽车续航里程约70%。

图4. 固态结构电池示意图及其在电动汽车上的应用

我们成功研发了集力学性能和电化学性能于一体的结构电池（图5），单体电芯可承重~50kg，并同时释放~200mAh/g的比能量。并且，我们所设计的结构电池可以制备成各种异形结构，能很好地适应车身/电子产品形状。除纯电动汽车外，结构电池还可为无人机提供能源，也可用做手机背板和笔记本电脑外壳，以显著地减少电子产品的体积和重量。

图5. 我们研发的结构电池

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