Sandia国家实验室工程师Alex Bates(前)和John Hewson在一个特别设计的电池测试室前检查锂离子电池。他们将传统锂离子电池释放的热量与固态电池和含有少量液体电解质的固态电池释放的热量进行了比较。他们发现，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。鸣谢:丽贝卡·古斯塔夫/桑迪亚国家实验室固态电池目前用于智能手表等小型电子设备，在电动汽车和储存太阳能电池板的能量以备后用方面，它有可能比锂离子电池更安全、更强大。然而，在固态电池普及之前，仍存在一些技术挑战。桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)领导的一项研究发表在3月7日的科学杂志《焦耳》(Joule)上，解决了其中一个挑战——一个长期以来的假设是，添加一些液体电解质来提高性能会使固态电池变得不安全。相反，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。他们还发现，如果电池短路，释放所有储存的能量，理论上超级安全的全固态电池可能会释放出危险的热量。
“固态电池有可能更安全，它们有可能具有更高的能量密度，”桑迪亚博士后研究员亚历克斯·贝茨说，他领导了这篇论文的研究。“这意味着，对于电动汽车来说，你可以在充电之间走得更远，或者需要更少的电池来实现电网规模的储能。添加液体电解质可能有助于弥合商业化的差距，而不会牺牲安全性。”
通过化学制造更好的电池
固态电池有点像锂离子电池。在这两种情况下，锂离子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。一个很大的区别是，在整个锂离子电池中，有一种物质可以帮助锂离子快速移动:液体电解质。
桑迪亚电池滥用测试实验室的电池安全专家Loraine Torres-Castro参与了这个项目，他将液体电解质比作驶入车道的车队:它将锂离子直接运送到它们需要去的地方。然而，目前的液体电解质是易燃的，可能导致电池爆炸或火灾，尤其是当电池损坏时。
在固态电池中，液体电解质被称为固体电解质的固体材料取代，这也有助于锂离子快速移动。贝茨说，一个技术挑战是，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。固体电解质可以比作一列火车，也可以快速地将锂离子运送到车站，但乘客仍然需要走更远的路才能回家。
科学家们加快这种“直接穿梭”——从而提高电池充电速度和性能——的一种方法是在电池的正极添加一点液体电解质。
然而，该项目的桑迪亚电池可靠性专家尤利娅·普雷格(Yuliya Preger)说，“在固态电池研究界，关于使用液体电解质来‘润滑轮子’的安全性存在很多争议。”一些科学家说，任何数量的液体电解质都是不安全的。因此，我们进行了计算，以了解液体电解质可能产生的影响，而不是仅仅接受“政党路线”"
劳伦斯柏克莱国家实验室的电池科学家Steve Harris和桑迪亚电池科学家凯蒂哈里逊首先质疑了导致这项研究的“政党路线”。两人都参与了这项研究。
桑迪亚国家实验室的电池滥用测试实验室展示了电池失效的不同方式的视频。信用:桑迪亚国家实验室固态电池有多安全？
为了弄清楚含有少量液体电解质的固态电池有多安全，研究小组首先计算了锂离子电池、全固态电池和含有不同量液体电解质的固态电池可以释放多少热量。所有测试的电池都有等量的储存能量。然后，他们观察了电池可能发生的三种不同的坏事情，以及每种故障会释放的热量。
该项目的桑迪亚热量释放计算专家约翰·休森说:“我们从确定三种电池中的化学能开始。“你能释放的能量是有限的，如果发生化学反应，这将使电池发热一定程度。”
托雷斯-卡斯特罗说，可能发生的第一件坏事是，如果电池着火——无论是来自相邻的电池还是周围的建筑。在这些情况下，研究人员发现，含有少量液体电解质的固态电池产生的热量约为可比锂离子电池的五分之一——这取决于它有多少液体电解质。没有液体电解质的固态电池在这种情况下不产生任何热量。
电池可能发生的第二件坏事是，如果反复充电和放电导致锂金属形成一种称为den drite的“尖峰”。Preger说，这种树突可以穿过隔离物刺穿一个洞，使两侧保持不同，并导致短路。这是所有一侧有锂金属的电池的一个已知问题。在这种情况下，三种电池产生的热量相似，这取决于电池中金属锂的含量。
固态电池可能发生的第三件坏事是固体电解质可能会破裂。Torres-Castro说，如果电池被压碎或刺穿，或者由于工作过程中积累的压力，这可能会发生，这将使电池一侧的氧气与另一侧的锂金属发生反应。在这些情况下，没有液体电解质的固态电池可以达到接近锂离子电池的温度，这让研究小组感到惊讶。
从安全计算到实验室实验
“固态电池的承诺之一是它们是安全的，因为固体电解质是牢固的，不太可能破裂。但如果它真的坏了，温度上升可能与锂离子电池失效时一样多，”Preger说。“这项研究强调了设计分离器的重要性，这样它就不会出故障。”
贝茨说，该项目的下一步包括用其他固体电解质材料进行类似的计算，并进行实验来验证新的和原始的计算。
“我们发现，如果固态电池含有锂金属，它就有可能是危险的，不管它是否含有液态电解质，”他说。“我们在这篇论文中试图指出的是，在性能和安全之间有一个明确的权衡，但添加一点液体可能会大大提高性能，同时对安全只有很小的影响。”
托雷斯-卡斯特罗补充说，理解这种权衡可能有助于加速商业化。“了解少量的液体电解质不会产生巨大的安全问题，这一清晰和自信可能有助于商用固态电池的发展。添加液体电解质可以解决他们的主要问题之一，即固体电解质界面。”
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