研制固態高安全儲能鋰電池 提升儲能電池安全性能

　　固態電池是一種使用固體電極和固體電解質的電池，可以從本征上解決鋰電池高溫起火的安全問題。中國電力科學研究院有限公司牽頭研制的固態高安全儲能鋰電池解決了電池起火問題，已開始規模化生產，將應用于兆瓦時級儲能集裝箱示范工程。

　　11月11日，中國電力科學研究院有限公司儲能與電工新技術研究所固態高安全儲能電池團隊開展了1兆瓦時儲能集裝箱示范工程電池單體熱失控實驗。團隊將電池單體加熱到300攝氏度后，電池單體沒有出現起火爆炸和熱失控擴散情況。

　　出現熱失控時的溫度是儲能單體電池和電池模組最重要的安全指標。造成熱失控的根本因素是電池內部高分子隔膜和有機電解液的不穩定性。2019年1月份，固態高安全儲能電池團隊通過對鋰離子電池內部傳導物質進行改性，研制出固態高安全儲能鋰電池，可以阻斷電池內部熱失控，提升儲能電池的安全性能。目前，團隊正探索在更多領域應用這種電池。

　　從材料源頭切斷電池熱失控路徑

　　“在電池內部結構中，高分子隔膜能起到物理阻隔正負極的作用，但遇到高溫會發生熱收縮，引起電池短路，觸發熱失控。在一定溫度下，電池內部的可燃物——有機電解液會燃燒，導致電池起火、爆炸。”在1兆瓦時儲能集裝箱示范工程電池單體的熱失控實驗前，固態高安全儲能電池團隊負責人金翼介紹。

　　團隊提出了具有可行性的解決思路：利用新型的無機隔膜材料取代有機隔膜，阻斷正負極接觸，在電池正負極之間構筑起一道“防火墻”，同時向電解液中摻入一定比例的固體電解質，降低電池內部的可燃物占比。

　　如何降低隔膜的厚度、保證其均勻性是新型無機隔膜制備需要重點攻克的難題。通過對隔膜基礎材料顆粒的尺寸和分布情況進行探索，2018年10月份，團隊研究出一整套技術，制備出固態高安全儲能鋰電池樣品。

　　熱失控實驗驗證，電池樣品耐熱失控實驗溫度遠超過國家標準規定溫度。“我們將單體電池成品放進熱箱，當熱箱溫度達到300攝氏度時，電池僅出現了鼓脹，未發生起火爆炸現象。”團隊成員于冉介紹。

　　預制集裝箱、建于城市核心區的變電站和配網的儲能系統、保電應急及數據機房后備電源等多種應用場景均對電池的安全性要求較高。為此，2020年6月份開始，項目團隊進一步開展探索，在1兆瓦時儲能集裝箱示范工程中設計應用固態高安全儲能電池模組，以驗證固態電池在實際工程應用的可行性。

　　在關鍵環節帶動電池產業升級

　　11月6日，固態高安全儲能電池團隊成員孫召琴接到固態高安全儲能鋰電池生產企業的產品報表。數據顯示，該企業在一星期內批量生產的固態電池產品已經達到200千瓦時。這得益于固態高安全儲能鋰電池的“隔膜電極一體化結構”生產工藝。

　　為了能夠滿足實際生產要求，2019年5月份，團隊設計提出了“隔膜電極一體化結構”，并明確了生產技術路線、設備選用、參數設置等一系列問題。在生產工藝方面，團隊決定沿用傳統鋰離子電池的流延涂布技術。這與現有工藝重疊度達到99%以上，制備可操作性強，無須升級、改進生產設備，可滿足現階段大規模生產的需求。

　　針對1兆瓦時儲能集裝箱示范工程，團隊的設計方案是布局約5簇電池模塊，每簇約210千瓦時。這需要多家電池生產廠商來完成。2019年以來，項目團隊已經與武漢、北京等地幾家電池企業簽訂了批量生產協議。目前，該項目電池單體的生產已經接近尾聲。

　　考慮到儲能工程后續的工作狀態，團隊還開展了“電化學-熱”特性耦合仿真分析和算法研究。團隊在電池內部設計了多層級、多場耦合熱管理系統，實現了電池模組工作狀態的長時間動態監控。

　　接下來，團隊將進行固態電池模塊及系統的集成設計工作。預計今年年底，電池模塊及系統將批量用于1兆瓦時儲能集裝箱示范工程。

　　推動固態鋰離子電池多場景應用

　　10月25日，固態高安全儲能鋰電池技術成果獲得第三屆中央企業熠星創新創意大賽優秀獎。目前，中國電科院已與3家電池生產企業達成初步合作意向。這進一步擴大了固態鋰離子電池技術成果的應用范圍，將推動儲能電池產業化，具有重要的社會效益和經濟效益。

　　根據固體電解質的種類，全固態電池可以劃分為兩類——基于無機電解質的全固態電池和基于聚合物電解質的全固態電池。

　　前者自身阻抗較大，電化學性能并不理想。后者具備柔性特性，能夠降低電極與電解質之間的界面阻抗，獲得較好的電化學性能，而且可以借鑒傳統鋰離子電池的制備方法，在工藝流程上具有天然優勢，適用于多種電池體系及應用場景，在儲能、新能源汽車、智能裝備、無人機等領域有很大發展潛力。

　　縱觀基于聚合物電解質的全固態電池技術發展趨勢，從半固態電池到準固態電池，再到無液體的全固態電池，逐漸減少內部液體是關鍵。

　　近年來，基于聚合物電解質的全固態電池進入較快發展階段。業內的技術研究路線是采用固體電解質代替有機電解液，實現鋰離子在正負極間的傳輸。“我們的研究主要是基于復合固態電解質成膜，將液體含量控制在5%以內，實現鋰離子快速傳導，其工作原理與傳統鋰離子電池相同。”金翼說。

　　技術的發展直接推動應用。該技術成果可以用于鋰離子電池的所有產品，成熟度較高，已經形成自主核心知識產權。與現有鋰離子電池相比，固態高安全儲能鋰電池體積小，更加穩定安全，成本與現有商品電池持平，可以為不同類型、不同應用目標的場景提供安全解決方案。

　　目前，團隊正研發下一代長壽命、寬溫域高安全固態電池。未來，除預制集裝箱儲能系統外，安全固態電池將在更多的變電站、配電自動化終端、通信基站的操作和后備電源系統中應用，緩解安全保障壓力，減少人工運維工作量。

　　（中國電科院供圖）