桑迪亚国家实验室发现改善电池性能新方法

与电动汽车的锂离子电池相比，用于智能手表等小型电子设备的固态电池可能更安全强大，且可存储太阳能电池板的能量以备后用。然而，固态电池的普及仍存在一些技术挑战。

据外媒报道，桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）研究小组发现，在许多情况下，含有少量液体电解质的固态电池比锂离子电池更安全。如果发生短路，电池会释放所有储存的能量，理论上超级安全的全固态电池也可能会释放出危险的热量。

桑迪亚博士后研究员Alex Bates表示：“固态电池或可变得更安全，且具有更高的能量密度。对电动汽车而言，这意味着更高的续航里程，或更少的电池来进行电网规模的储能。添加液体电解质还可推动商业化，且不会牺牲安全性。”

通过化学改善电池

固态电池有点像锂离子电池。这两种电池中的锂离子会从电池的一侧移动到另一侧，而电子则通过电路为设备供电。但区别在于锂离子电池中，液体电解质可以帮助锂离子快速移动。

参与该项目的桑迪亚电池测试实验室（Battery Abuse Testing Laboratory）的电池安全专家Loraine Torres-Castro将液体电解质比作一队驶入车道的汽车：可将锂离子直接运送到需要去的地方。然而，目前的液体电解质易燃，可能导致电池爆炸或起火，尤其是在电池损坏时。

在固态电池中，液态电解质由固态电解质取代，从而加快锂离子快速移动。Bates称该技术的挑战在于虽然锂离子可以在固体电解质中快速移动，但它们很难从固体电解质移动到电极，反之亦然。固体电解质就像一列火车，可以快速将锂离子运送到车站，但乘客仍然需要走一段很远的路才能回家。

为加快这种直接运送过程，科学家在电池的正极一侧添加了少量液体电解质，从而提高电池充电速度和性能。

然而，该项目的桑迪亚电池可靠性专家Yuliya Preger表示：“在固态电池研究界，关于将液体电解质用于‘润滑车轮’的安全性存在很多争议。一些科学家说，无论加入多少液体电解质都是不安全的。因此，我们进行了计算，以确定液体电解质的影响可能有哪些。”

劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的电池科学家Steve Harris和桑迪亚电池科学家Katie Harrison也都参与了这项研究。

固态电池有多安全？

为了确定带有少量液体电解质的固态电池的安全性，研究小组首先计算了带有不同体积液体电解质的锂离子电池、全固态电池和固态电池可以释放的热量值。随后，研究人员还对电池可能发生的三种故障进行研究，以及测量每种故障所释放的热量值。

该项目的桑迪亚热释放计算专家John Hewson表示：“我们首先确定了这三种电池中有多少化学能。因为电池可以释放的能量值是固定的，如果确实发生化学反应，这些能量会加热电池。”

Torres-Castro称，可能发生的第一种故障是电池因周围电池或设施而起火。在这些情况下，研究人员发现，带有少量液体电解质的固态电池产生的热量约为同类锂离子电池的五分之一，具体值取决于液体电解质的多少。因此没有液体电解质的固态电池不会产生任何热量。

可能发生的第二种电池故障是反复充放电使得锂金属形成枝晶。Preger称枝晶可刺穿能够区分阴阳两侧的隔膜，从而引起短路。在这种情况下，上述三种电池产生的热量相近，具体值取决于电池中锂金属的含量。

固态电池可能发生的第三种故障是固态电解质可能会发生破裂。Torres-Castro表示，如果电池在运行过程中被压碎或刺破，或者压力升高，电池一侧的氧气就会和另一侧的锂金属发生反应，从而会引起电池破裂。在这些情况下，没有液体电解质的固态电池的温度与锂离子电池非常接近，这一点让研究小组非常震惊。

从安全计算到实验室实验

Preger称：“固态电池的优势在于其安全性，因为固态电解质十分坚固，不太可能会破裂。但一旦发生破裂，其温度升高可能与锂离子电池失效时一样。此项研究着重强调了设计隔膜的重要性，从而保证固态电池的安全性。”

Bates称该项目的下一步计划是使用其他固体电解质材料进行类似的研究，并验证新的和原始的计算。Bates表示：“我们发现，若固态电池含有锂金属，无论它是否含有液态电解质，该电池都存在潜在危险。通过此次研究，我们发现性能和安全性间存在一定的权衡，但若仅添加一小部分液体电解质，电池的性能就能得到显著提高，且对安全性的影响很小。”

Torres-Castro补充说：“清楚并确切知道少量液体电解质不会引发巨大安全问题，将有助于固态电池的商业发展。添加液体电解质可以解决其主要问题之一，即固体电解质界面。”