固態電池與傳統鋰離子電池哪個更安全?

  一般認為,全固態電池比傳統的鋰離子電池更安全。但事實真的是這樣嗎?今天我們來一起看看固態電池與傳統鋰離子電池哪個更安全?

  近幾年一系列電池火災事件引發了人們關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電池替代,它是利用不易燃的固態電解質代替易揮發和易燃的液態電解質。這種固態電解質的安全優勢已得到廣泛認可。然而,具有高能量密度的鋰金屬負極固態電池的安全性尚未得到嚴格評估。

  美國能源部國家實驗室Alex M. Bates等人利用第一熱力學模型定量評估了固態電池和鋰離子電池在幾種失效情況下的熱量釋放。(全)固態電池中的固態電解質采用的是Li7La3Zr2O12。固態電解質與正極之間添加了微量液態電解質改善界面阻抗。

  結果表明,短路的全固態電池具有比傳統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致火災。

  該結果發表在國際頂級期刊《Joule》上。

  今天大家一起考慮了三種失效模式:

  1、外部熱源導致的熱失控;

  2、內部短路(鋰枝晶引發的短路);

  3、固態電解質的機械失效。

全固態(ASSB)、固態(SSB)、傳統鋰離子(LIB)電池構型圖

  其中,ASSB中不含任何液態電解質,SSB的正極側含少量液態電解質,液態電解質(LE)溶劑是碳酸甲乙酯(EMC),正極采用LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2(NMC111)。

熱釋放與LE體積分數的關系圖

   失效模式A下,添加少量LE的SSB比ASSB產生的熱量更多,但仍比LIB少得多。對于SSB,當體積分數高于0.125時,正極產生的O2已經與LE反應完全,形成一個平臺。由于LE與負極Li反應,所以LIB的體積分數在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LE的體積分數小于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,反應的熱釋放可能是巨大的。

體積和質量熱釋放的比較圖

  基于電池類型和能量密度的潛在升溫圖

  總結:

  1、在這項工作中,作者利用熱力學模型分析問題。雖然在外部加熱失效模式下(全)固態電池更安全,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生長并到達正極。隨著SE變得更薄,防止枝晶生長的能力會進一步降低。

  3、目前的工作表明,能量密度、SE厚度和電池設計的演變會影響潛在的安全問題。

  4、正極側低于10%體積分數的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,將對安全性產生重大影響。

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