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研制固態(tài)高安全儲(chǔ)能鋰電池 提升儲(chǔ)能電池安全性能

2021-12-01 10:20:28 國(guó)家電網(wǎng)報(bào)

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(wèn)題。中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司牽頭研制的固態(tài)高安全儲(chǔ)能鋰電池解決了電池起火問(wèn)題,已開(kāi)始規(guī)模化生產(chǎn),將應(yīng)用于兆瓦時(shí)級(jí)儲(chǔ)能集裝箱示范工程。

11月11日,中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司儲(chǔ)能與電工新技術(shù)研究所固態(tài)高安全儲(chǔ)能電池團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了1兆瓦時(shí)儲(chǔ)能集裝箱示范工程電池單體熱失控實(shí)驗(yàn)。團(tuán)隊(duì)將電池單體加熱到300攝氏度后,電池單體沒(méi)有出現(xiàn)起火爆炸和熱失控?cái)U(kuò)散情況。

出現(xiàn)熱失控時(shí)的溫度是儲(chǔ)能單體電池和電池模組最重要的安全指標(biāo)。造成熱失控的根本因素是電池內(nèi)部高分子隔膜和有機(jī)電解液的不穩(wěn)定性。2019年1月份,固態(tài)高安全儲(chǔ)能電池團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)鋰離子電池內(nèi)部傳導(dǎo)物質(zhì)進(jìn)行改性,研制出固態(tài)高安全儲(chǔ)能鋰電池,可以阻斷電池內(nèi)部熱失控,提升儲(chǔ)能電池的安全性能。目前,團(tuán)隊(duì)正探索在更多領(lǐng)域應(yīng)用這種電池。

從材料源頭切斷電池?zé)崾Э芈窂?/strong>

“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(fù)極的作用,但遇到高溫會(huì)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(jī)電解液會(huì)燃燒,導(dǎo)致電池起火、爆炸。”在1兆瓦時(shí)儲(chǔ)能集裝箱示范工程電池單體的熱失控實(shí)驗(yàn)前,固態(tài)高安全儲(chǔ)能電池團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人金翼介紹。

團(tuán)隊(duì)提出了具有可行性的解決思路:利用新型的無(wú)機(jī)隔膜材料取代有機(jī)隔膜,阻斷正負(fù)極接觸,在電池正負(fù)極之間構(gòu)筑起一道“防火墻”,同時(shí)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(wú)機(jī)隔膜制備需要重點(diǎn)攻克的難題。通過(guò)對(duì)隔膜基礎(chǔ)材料顆粒的尺寸和分布情況進(jìn)行探索,2018年10月份,團(tuán)隊(duì)研究出一整套技術(shù),制備出固態(tài)高安全儲(chǔ)能鋰電池樣品。

熱失控實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,電池樣品耐熱失控實(shí)驗(yàn)溫度遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定溫度。“我們將單體電池成品放進(jìn)熱箱,當(dāng)熱箱溫度達(dá)到300攝氏度時(shí),電池僅出現(xiàn)了鼓脹,未發(fā)生起火爆炸現(xiàn)象。”團(tuán)隊(duì)成員于冉介紹。

預(yù)制集裝箱、建于城市核心區(qū)的變電站和配網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)、保電應(yīng)急及數(shù)據(jù)機(jī)房后備電源等多種應(yīng)用場(chǎng)景均對(duì)電池的安全性要求較高。為此,2020年6月份開(kāi)始,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)展探索,在1兆瓦時(shí)儲(chǔ)能集裝箱示范工程中設(shè)計(jì)應(yīng)用固態(tài)高安全儲(chǔ)能電池模組,以驗(yàn)證固態(tài)電池在實(shí)際工程應(yīng)用的可行性。

在關(guān)鍵環(huán)節(jié)帶動(dòng)電池產(chǎn)業(yè)升級(jí)

11月6日,固態(tài)高安全儲(chǔ)能電池團(tuán)隊(duì)成員孫召琴接到固態(tài)高安全儲(chǔ)能鋰電池生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品報(bào)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(dá)到200千瓦時(shí)。這得益于固態(tài)高安全儲(chǔ)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(shí)際生產(chǎn)要求,2019年5月份,團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(wèn)題。在生產(chǎn)工藝方面,團(tuán)隊(duì)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(dá)到99%以上,制備可操作性強(qiáng),無(wú)須升級(jí)、改進(jìn)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(duì)1兆瓦時(shí)儲(chǔ)能集裝箱示范工程,團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)方案是布局約5簇電池模塊,每簇約210千瓦時(shí)。這需要多家電池生產(chǎn)廠商來(lái)完成。2019年以來(lái),項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(xiàng)目電池單體的生產(chǎn)已經(jīng)接近尾聲。

考慮到儲(chǔ)能工程后續(xù)的工作狀態(tài),團(tuán)隊(duì)還開(kāi)展了“電化學(xué)-熱”特性耦合仿真分析和算法研究。團(tuán)隊(duì)在電池內(nèi)部設(shè)計(jì)了多層級(jí)、多場(chǎng)耦合熱管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了電池模組工作狀態(tài)的長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

接下來(lái),團(tuán)隊(duì)將進(jìn)行固態(tài)電池模塊及系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)工作。預(yù)計(jì)今年年底,電池模塊及系統(tǒng)將批量用于1兆瓦時(shí)儲(chǔ)能集裝箱示范工程。

推動(dòng)固態(tài)鋰離子電池多場(chǎng)景應(yīng)用

10月25日,固態(tài)高安全儲(chǔ)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(jiǎng)。目前,中國(guó)電科院已與3家電池生產(chǎn)企業(yè)達(dá)成初步合作意向。這進(jìn)一步擴(kuò)大了固態(tài)鋰離子電池技術(shù)成果的應(yīng)用范圍,將推動(dòng)儲(chǔ)能電池產(chǎn)業(yè)化,具有重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)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(wú)機(jī)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(xué)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(xué)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(shì),適用于多種電池體系及應(yīng)用場(chǎng)景,在儲(chǔ)能、新能源汽車、智能裝備、無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域有很大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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(shì),從半固態(tài)電池到準(zhǔn)固態(tài)電池,再到無(wú)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(lái),基于聚合物電解質(zhì)的全固態(tài)電池進(jìn)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(jī)電解液,實(shí)現(xiàn)鋰離子在正負(fù)極間的傳輸。“我們的研究主要是基于復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)成膜,將液體含量控制在5%以內(nèi),實(shí)現(xiàn)鋰離子快速傳導(dǎo),其工作原理與傳統(tǒng)鋰離子電池相同。”金翼說(shuō)。

技術(shù)的發(fā)展直接推動(dòng)應(yīng)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(shí)產(chǎn)權(quán)。與現(xiàn)有鋰離子電池相比,固態(tài)高安全儲(chǔ)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(yīng)用目標(biāo)的場(chǎng)景提供安全解決方案。

目前,團(tuán)隊(duì)正研發(fā)下一代長(zhǎng)壽命、寬溫域高安全固態(tài)電池。未來(lái),除預(yù)制集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)外,安全固態(tài)電池將在更多的變電站、配電自動(dòng)化終端、通信基站的操作和后備電源系統(tǒng)中應(yīng)用,緩解安全保障壓力,減少人工運(yùn)維工作量。




責(zé)任編輯: 李穎

標(biāo)簽:儲(chǔ)能安全,固態(tài)電池