當(dāng)前，主流磷酸鐵鋰電池能量密度在200Wh/kg以下，三元鋰電池能量密度在200~300Wh/kg之間，且現(xiàn)有鋰電池能量密度已經(jīng)接近理論極限，限制了鋰離子電池的多場景應(yīng)用。為進(jìn)一步滿足新能源電池汽車、無人機(jī)、潛航器等裝備續(xù)航里程增加的需求，擴(kuò)展鋰電池使用環(huán)境，需要開發(fā)新型電池體系提高電池的能量密度。

與傳統(tǒng)鋰離子電池一般使用石墨作為負(fù)極不同，鋰金屬電池使用金屬鋰作為負(fù)極。由于鋰金屬理論比容量達(dá)3860mAh/g，遠(yuǎn)高于石墨理論比容量372mAh/g，因此鋰金屬電池較石墨負(fù)極鋰離子電池具有更高的能量密度。同時(shí)，鋰金屬可以與硫、聚合物、氧化物等多種正極材料配對，而不局限于傳統(tǒng)磷酸鐵鋰或三元材料等插層型正極，這種靈活性為極端環(huán)境下的材料選擇提供了更多可能性。電解質(zhì)方面，鋰金屬電池使用液態(tài)電解質(zhì)會存在嚴(yán)重的鋰枝晶問題，但是當(dāng)鋰金屬匹配固態(tài)電解質(zhì)時(shí)，電解質(zhì)本身能抑制鋰枝晶生長，因而安全性較液態(tài)電解質(zhì)得到提高，且固態(tài)電解質(zhì)較液態(tài)電解質(zhì)可進(jìn)一步提高電池體系比能量。因此，固態(tài)鋰金屬電池的研發(fā)，是當(dāng)下電池研究的一個(gè)熱點(diǎn)方向。基于固態(tài)鋰金屬電池的熱安全特性研究，對于揭示鋰金屬與固態(tài)電解質(zhì)間的界面反應(yīng)活性規(guī)律、認(rèn)識和抑制鋰金屬電池?zé)崾Э匚：?、提高鋰金屬電池高溫循環(huán)壽命，均具有重要意義。

BAC-800B大型電池絕熱量熱儀憑借其符合國標(biāo)GB150的密封倉體外殼、變頻采集速率(最高可達(dá)100Hz)以及B型熱電偶測溫(測溫范圍900~1800℃)三重優(yōu)勢，可以很好應(yīng)用于鋰金屬固態(tài)電池?zé)崾Э匮芯俊?/span>

實(shí)驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)利用杭州BAC-800B大型電池絕熱量熱儀進(jìn)行10Ah軟包固態(tài)鋰金屬電池?zé)釣E用測試。實(shí)驗(yàn)前在電池不同點(diǎn)位布置N型及B型熱電偶進(jìn)行測溫，利用夾具固定電池保證熱電偶始終與電池保持緊密連接。實(shí)驗(yàn)過程中通過可編程電源使用加熱絲對電池加熱，電池溫度升高后發(fā)生熱失控。多通道數(shù)據(jù)記錄儀記錄電池的溫度、電壓數(shù)據(jù)。在儀器腔體外部利用高速攝像機(jī)對電池保持實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)多維度監(jiān)控及分析。

測試結(jié)果

圖2 軟包固態(tài)鋰金屬電池?zé)崾Э?a)溫度&電壓-時(shí)間曲線、溫升速率-溫度曲線和(b)附加熱電偶溫度-時(shí)間曲線

對圖2的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該電池的熱失控最高溫度845.43℃，熱失控最大溫升速率74628℃/min。而規(guī)格相近的同類型液態(tài)鋰離子電池采用同樣熱濫用方式熱失控最高溫度>1000℃，熱失控最大溫升速率>150000℃/min?？梢?，固態(tài)鋰金屬電池較液態(tài)鋰離子電池安全性能確實(shí)得到提升。

圖3 電池?zé)崾Э睾鬆t膛內(nèi)殘骸

由于鋁箔熔點(diǎn)一般為660℃左右，因此，電池?zé)崾Э剡^程中該軟包電池鋁箔被熔化，甚至底部保溫棉也被熔穿。實(shí)驗(yàn)后，爐膛內(nèi)已無明顯電池殘骸。盡管較同類型液態(tài)鋰離子電池安全性能有所提升，但該固態(tài)鋰金屬電池發(fā)生熱失控的危害程度仍然不容忽視。上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將為研究人員進(jìn)一步提升現(xiàn)階段固態(tài)鋰金屬電池的安全防護(hù)邊界提供重要參考。

本次實(shí)驗(yàn)利用BAC-800B大型電池絕熱量熱儀進(jìn)行固態(tài)鋰金屬電池熱失控測試，為研究人員探究固態(tài)鋰金屬電池界面鋰沉積行為機(jī)理、界面組分和熱安全管理提供了有力數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)，也再次驗(yàn)證了大型電池絕熱量熱儀在新型儲鋰材料和電解質(zhì)體系開發(fā)等鋰電池前沿研究領(lǐng)域，推進(jìn)固態(tài)鋰金屬電池實(shí)際應(yīng)用方面的可靠性和必要性。

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