固态电池,目前用于小型电子设备如智能手表,有潜力成为更安全、更强大的比锂离子电池,例如电动汽车从太阳能电池板和储存能量,供以后使用。然而,一些技术挑战保持固态电池才能普及。
桑迪亚国家Laboratories-led的一项研究中,3月7日发表在科学杂志上焦耳解决这些挑战之一——;长期假设添加一些电解液以提高性能将使固态电池不安全。相反,该研究小组发现,在许多情况下固态电池用少量液体电解液比锂离子同行更安全。他们还发现,如果电池短路,释放储存能量,理论上超级安全,全固态电池可以把一个危险的热量。
“固态电池有可能更安全,他们有潜在的更高的能量密度,”亚历克斯·贝茨说桑迪亚博士后研究员领导的研究论文。“电动汽车来说,这意味着你可以在两次充电之间走的更远,或者需要更少的电网储能电池。添加电解液可能帮助的桥梁商业化,不牺牲安全。”
更好的电池通过化学
固态电池是锂离子电池有点像。在两者中,电池的锂离子从一边移动到另一端,而电子流过电路设备。一个很大的区别在于,在锂离子电池中,有一种物质,帮助锂离子迅速行动:液体电解质。
雷恩Torres-Castro、电池安全专家在桑迪亚滥用的电池测试实验室参与项目,比较了液态电解质车队驶入车道:航天飞机锂离子直接他们需要去的地方。然而,目前的液体电解质是易燃和可能导致电池爆炸或火灾,尤其是当电池损坏。
在固态电池,液体电解质是固体材料所取代,称为固态电解质,也有助于锂离子移动迅速。技术挑战之一是,尽管在固态电解质锂离子能迅速行动,他们很难从固态电解质的电极,反之亦然,贝茨说。固态电解质可以是火车的干部相比,也快速地穿梭于锂离子到车站,然后乘客还有行驶里程更远一些回家。
一种科学家们加快这种“直接穿梭”——;因此电池充电速度和性能;是通过添加一点液体电解质电池的积极的一面。
然而,Yuliya怀孕的,桑迪亚电池可靠性项目专家,说:“有很多争议的固态电池研究社区的安全包括液态电解质的贿赂。一些科学家说任何数量的电解液是不安全的。所以,我们做了计算,看看电解液的影响,而不只是接受‘路线’。”
史蒂夫•哈里斯电池劳伦斯伯克利国家实验室的科学家,和凯蒂·哈里森,桑迪亚电池科学家,首先质疑党的路线,导致了这项研究。两人都参与这项研究。
固态电池有多安全?
为了找出多么安全的固态电池用少量液体电解质,研究小组开始通过计算多少热量可以释放这些锂离子电池,全固态电池和固态电池有不同数量的液体电解质。所有的电池测试等量的存储能量。然后,他们看了三个不同的坏事情会发生到电池,将被释放的热量是由于每种类型的失败。
“我们开始通过确定到底有多少化学能量的三种电池,”桑迪亚释热计算专家约翰•休森说这个项目。“只有这么多的能量可以释放,将加热电池一定数量,如果发生的化学反应。”
第一件坏事会发生如果电池着火了;从相邻的电池或周围的建筑;Torres-Castro说。在这些情况下,研究人员发现,固态电池用少量液体电解液会产生五分之一相比锂离子电池的热;这取决于里面究竟有多少液体电解质。固态电池没有电解液在这种情况下不产生任何热量。
第二个坏事,可能发生电池是如果重复充放电导致金属锂形成一个“飙升”称为树突。这个树突刺穿一个洞通过分离器使双方截然不同,引起短路,怀孕的说。这是一个已知的问题与所有的电池,锂金属一侧。在这种情况下,所有三个电池生产同样数量的热量,这取决于有多少金属锂电池。
第三个坏事,可能发生在一个固态电池固态电解质可以打破。这可能发生,如果电池被穿刺或由于组合压力在操作过程中,这将允许氧气从一边的电池与金属锂反应另一方面,Torres-Castro说。在这些情况下,固态电池没有电解液可能达到温度附近的锂离子电池,该研究小组发现令人惊讶。
从安全计算实验
“固态电池的承诺之一是,他们是安全的,因为固态电解质公司,不可能打破。但如果它打破,气温上升可能当锂离子电池失败,”怀孕的说。”这项研究强调了工程的重要性到底的分隔符,以便它不会失败。”
项目的后续步骤包括进行类似的计算与其他固体电解质材料并进行实验来验证新的原始计算,贝茨说。
”我们发现如果固态锂金属电池,它有可能是危险的,不管它是否有液体电解质,”他说。“我们试图指出本文是有一个明确的性能和安全之间的平衡,但是添加液体可能会大大增加性能只有一小影响安全。”
理解这种权衡可能有助于加快商业化,Torres-Castro补充道。“有清晰和信心,知道少量的液体电解质不会创造巨大的安全问题可以帮助商业固态电池的发展。添加电解液可以修复他们的主要问题之一,固态电解质界面。”
这个安全研究是由美国能源部电力储能项目办公室。
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