青島能源所在高能量密度固態(tài)電池研究中取得進(jìn)展

　　國家“十三五”規(guī)劃加大了對新能源汽車尤其是純電動(dòng)汽車的布局與規(guī)劃，而新能源汽車健康發(fā)展的關(guān)鍵是動(dòng)力電池，固態(tài)電池是新能源汽車動(dòng)力電池有效提高能量密度同時(shí)確保安全性的必由之路，而綜合性能優(yōu)異的新型固態(tài)電解質(zhì)體系是發(fā)展固態(tài)電池的關(guān)鍵所在。當(dāng)前固固界面的接觸阻抗大問題一直是困擾和阻礙固態(tài)電池發(fā)展的瓶頸問題之一。如何降低固固界面接觸阻抗已經(jīng)成為科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界研發(fā)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

　　依托中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所建設(shè)的青島儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院一直致力于高性能固態(tài)電池關(guān)鍵材料開發(fā)和固態(tài)電池固固界面的修復(fù)完善工作。該院研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出了“剛?cè)岵?jì)”聚合物電解質(zhì)的設(shè)計(jì)理念，創(chuàng)新性地構(gòu)建了復(fù)合電解質(zhì)材料體系，制備出一系列綜合性能優(yōu)異的固態(tài)聚合物電解質(zhì)體系（Energy Storage Materials, 2016, 5, 139-; Journal of Materials Chemistry A, 2016, 4, 10070），有效解決了聚合物電解質(zhì)各項(xiàng)性能不能兼顧的難題，發(fā)展了新型的固態(tài)電解質(zhì)關(guān)鍵材料體系。

　　針對固態(tài)電池發(fā)展中固固界面阻抗過大的瓶頸問題，儲(chǔ)能院團(tuán)隊(duì)研究成員從改善固固界面接觸問題入手，認(rèn)真分析影響電池界面性能的諸多不利因素（Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3, 4092；Chemistry of Materials, 2016, 28, 3578），總結(jié)科學(xué)問題和規(guī)律，借鑒電池固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)的思路，創(chuàng)造性地提出“原位自形成固態(tài)電解質(zhì)”的解決方案，采取原位聚合形成固態(tài)聚合物電解質(zhì)技術(shù)路線，構(gòu)筑一體化固態(tài)電池，有效降低界面阻抗和提升電池綜合性能。該方法能夠用于固態(tài)電池固固界面的修復(fù)，優(yōu)化固固界面性能。基于此設(shè)計(jì)理念，青島儲(chǔ)能院研究團(tuán)隊(duì)將小分子量的VC（碳酸亞乙烯酯）通過原位自由基聚合形成高分子量的PVC（聚碳酸亞乙烯酯）固態(tài)聚合物電解質(zhì)。經(jīng)表征發(fā)現(xiàn)，該方法用于4.35V鈷酸鋰電池可極大降低界面阻抗并有效拓寬電化學(xué)窗口，大大提升了固態(tài)電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能（Advanced Sciences, 2016, DOI: 10.1002/advs.201600377）。此外，通過加熱產(chǎn)生引發(fā)劑原位引發(fā)聚合形成聚三乙二醇二乙烯基醚固態(tài)聚合物電解質(zhì)，構(gòu)筑一體化離子電池，成功實(shí)現(xiàn)聚合物電解質(zhì)/電極界面之間的緊密接觸，降低界面阻抗，大大提升電池的循環(huán)穩(wěn)定性（Small, 2016, DOI: 10.1002/smll.201601530）。“原位自形成固態(tài)電解質(zhì)”的解決方案不僅可以有效降低固固接觸阻抗；還能簡化固態(tài)電池的制作步驟，與現(xiàn)有液態(tài)鋰離子電池成產(chǎn)設(shè)備和工藝相兼容，具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化推廣前景。

　　鑒于電動(dòng)汽車市場的快速發(fā)展以及國家“十三五”戰(zhàn)略規(guī)劃的宏觀布局，迫切需要開發(fā)新型超高能量密度鋰空二次電池。研發(fā)團(tuán)隊(duì)著眼于鋰空電池，探索構(gòu)筑了“三明治”鋰空聚合物電解質(zhì)，旨在提升鋰空電池的綜合性能（Advanced Science, 2015, 2, 1500092; Advanced Energy Materials, 2016, 6, 1600751）。

　　在固態(tài)單體電池的器件制備方面，青島儲(chǔ)能院采用“剛?cè)岵?jì)”和“原位自形成機(jī)制”的聚合物電解質(zhì)設(shè)計(jì)理念，已開發(fā)出6Ah大容量三元固態(tài)鋰電池。能量密度超過250Wh/kg，循環(huán)壽命超過500圈，通過五次穿釘實(shí)驗(yàn)，固態(tài)電池并未起火和爆炸，安全性能極佳，而且在拔除釘子后電壓有所恢復(fù)，這再一次彰顯出固態(tài)電解質(zhì)良好的自修復(fù)性能和安全性能。除此之外，固態(tài)鋰電池機(jī)械強(qiáng)度高，已通過11000米模擬深海壓力艙實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在正準(zhǔn)備深海搭載實(shí)驗(yàn)。相關(guān)技術(shù)已申請中國發(fā)明專利29項(xiàng)，國際PCT專利3項(xiàng)。

　　該項(xiàng)目得到中科院納米先導(dǎo)專項(xiàng)長續(xù)航能力動(dòng)力電池項(xiàng)目、山東省前瞻技術(shù)基金、青島市儲(chǔ)能基金和青島能源所“135”項(xiàng)目大力支持。

NCM(622)/SPE/Li固態(tài)鋰電池安全測試——多次針刺電壓\溫度變化曲線(5次針刺）