中國粉體網(wǎng)訊 日前，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所研發(fā)的60伏特鈉離子電池組順利完成在電動(dòng)兩輪車的裝車示范，該電池模組以1P20S的方式成組而成，重量約10千克，標(biāo)準(zhǔn)載重75千克，標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航里程70千米。
青島能源所固態(tài)鈉離子電池應(yīng)用示范
據(jù)悉，該鈉離子電池是由青島能源所崔光磊團(tuán)隊(duì)通過建立一系列綜合性能優(yōu)異的固態(tài)電解質(zhì)體系，研發(fā)出的高能量密度的“鈉固1號”型固態(tài)鈉離子電池，電芯能量密度超140 Wh/kg，電池模組比能量密度超110 Wh/kg，擁有高安全、強(qiáng)動(dòng)力、長續(xù)航及長壽命四大優(yōu)勢，且針刺測試不冒煙、不燃燒、不爆炸。
固態(tài)鈉離子電池的工作機(jī)理和優(yōu)勢
鈉離子電池具有資源儲(chǔ)量豐富、成本低和與鋰離子電池類似的儲(chǔ)能機(jī)制等優(yōu)勢，使其極有潛力在便攜式電子設(shè)備、混合動(dòng)力和全電動(dòng)車輛等工業(yè)中應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)液態(tài)鈉離子電池存在電解液泄漏、易燃等安全問題，并且鈉枝晶生長不可控致使電池穩(wěn)定性較差，形成的“死鈉”還將導(dǎo)致鈉電池可逆容量損失。
固態(tài)鈉離子電池采用固態(tài)電解質(zhì)取代傳統(tǒng)有機(jī)電解液解決了電解液揮發(fā)和泄漏帶來的燃燒和爆炸等安全問題。同時(shí)，固態(tài)電解質(zhì)優(yōu)越的機(jī)械性能和熱化學(xué)穩(wěn)定性能改善電池壽命和穩(wěn)定性及實(shí)現(xiàn)高能量正極與金屬鈉負(fù)極在固態(tài)鈉電池中匹配使用。此外，固態(tài)電解質(zhì)可實(shí)現(xiàn)電池設(shè)計(jì)簡化，不需要額外的電解液容器或隔膜組件，從而提升電池的能量密度。固態(tài)鈉離子電池兼顧高能量密度與高安全性，對開發(fā)下一代高能量密度電池和解決能源危機(jī)具有重大意義。
固態(tài)和液態(tài)電池示意圖
固態(tài)鈉離子電池的工作原理與傳統(tǒng)鈉離子電池相似，充電時(shí) Na+從正極脫出經(jīng)固態(tài)電解質(zhì)到達(dá)負(fù)極，負(fù)極處于富鈉態(tài)，正極處于貧鈉態(tài)，電子通過外電路從正極到達(dá)負(fù)極，從而保證負(fù)極電荷平衡；放電時(shí)Na+從負(fù)極脫出經(jīng)固態(tài)電解質(zhì)嵌回正極，正極處于富鈉態(tài)，負(fù)極處于貧鈉態(tài)，電子通過外電路從負(fù)極到達(dá)正極進(jìn)行電荷補(bǔ)償。固態(tài)電解質(zhì)在固態(tài)鈉離子電池中既是隔膜也是Na+傳導(dǎo)介質(zhì)。因此，固態(tài)電解質(zhì)作為固態(tài)鈉離子電池的核心材料，其Na+電導(dǎo)率、化學(xué)/電化學(xué)穩(wěn)定性、與電極間相容性和熱穩(wěn)定性是影響固態(tài)鈉離子電池能量密度、循環(huán)壽命和安全性的關(guān)鍵因素。
鈉離子電池固態(tài)電解質(zhì)
早在20世紀(jì)70年代，鈉離子導(dǎo)電固態(tài)電解質(zhì)就被研究人員Goodenough發(fā)現(xiàn)。目前，國內(nèi)外各研究組已經(jīng)提出了多種固態(tài)鈉離子導(dǎo)體材料，主要分為氧化物固態(tài)電解質(zhì)、硫化物固態(tài)電解質(zhì)、有機(jī)聚合物固態(tài)電解質(zhì)以及新興的硼氫化鈉固態(tài)電解質(zhì)。
氧化物固態(tài)電解質(zhì)：氧化物具有良好的循環(huán)性能，適用于薄膜柔性結(jié)構(gòu)。目前，氧化物鈉離子固態(tài)電解質(zhì)的研究主要集中在以下兩種類型：Na-beta-Al2O3和NASICON型。Na-beta-Al2O3因其高的穩(wěn)定性、高的離子電導(dǎo)率和高的機(jī)械強(qiáng)度，已成功用于高溫Na-S和高溫Zebra電池中，工作溫度約300℃。
硫化物固態(tài)電解質(zhì)：硫化物電解質(zhì)性能優(yōu)異，具有較高離子電導(dǎo)率，但對環(huán)境要求較高，開發(fā)潛力大。目前，Na3PS4是研究最多的鈉離子硫化物固態(tài)電解質(zhì)之一，除此之外還有很多玻璃態(tài)的和玻璃—陶瓷復(fù)合態(tài)的鈉離子硫化物固體電解質(zhì)，通常表現(xiàn)出更高的離子電導(dǎo)率。
聚合物固態(tài)電解質(zhì)：聚醚類聚合物中，PEO因其安全性高，柔性好，低密度，良好的成膜性，低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和溶解多種鈉鹽的能力，被認(rèn)為是一種優(yōu)異的聚醚類聚合物基體。其聚合物固態(tài)電解質(zhì)具有良好的柔性，利于加工，與現(xiàn)有的液態(tài)電池裝配設(shè)備兼容，可以做成多種形狀，使得固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得多樣化。
硼氫化鈉：具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如高度形變性、密度小等優(yōu)點(diǎn)。
固態(tài)鈉離子電池面臨的挑戰(zhàn)
實(shí)現(xiàn)全固態(tài)鈉離子電池的實(shí)際應(yīng)用面臨一些需要急需克服的問題。電極與固態(tài)電解質(zhì)界面、電解質(zhì)晶界、正極活性顆粒間空隙、正極活性顆粒與黏結(jié)劑或與導(dǎo)電劑間空隙、正極材料內(nèi)部晶界等導(dǎo)致固-固界面阻抗較大；充放電過程中電極的體積效應(yīng)、電極活性顆粒碎裂、界面層破裂等形成的新界面也將增加電池界面阻抗、降低電池充放電效率和電池穩(wěn)定性；充放電過程中Na+在負(fù)極側(cè)不均勻沉積導(dǎo)致鈉枝晶生長是固態(tài)鈉離子電池循環(huán)性能惡化和電池短路的主要原因。
改善電極與固態(tài)電解質(zhì)界面阻抗、界面兼容性、枝晶生長和電極體積效應(yīng)是固態(tài)鈉離子電池的瓶頸。目前，通常引入界面潤濕劑、SEI/ CEI層、界面柔性夾層或設(shè)計(jì)復(fù)合固體電解質(zhì)、復(fù)合電極材料、界面原位固化和設(shè)計(jì)新型電池結(jié)構(gòu)等方法來降低電極與固態(tài)電解質(zhì)界面阻抗并提高界面穩(wěn)定性和兼容性。低彈性模量的固態(tài)電解質(zhì)、充放電過程中體積變化小的活性材料、離子擴(kuò)散路徑短的固態(tài)電解質(zhì)納米顆粒也將有助于提高固態(tài)鈉離子電池的穩(wěn)定性和電化學(xué)性能。
固態(tài)鈉電池兼具鈉離子電池、固態(tài)電池雙重優(yōu)勢，發(fā)展固態(tài)鈉電池的過程中需要考慮很多因素包括界面、能量和功率密度、安全問題等。國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都希望爭取在鈉離子電池產(chǎn)業(yè)爆發(fā)前，迅速搶占其市場制高點(diǎn)。我國鈉離子電池發(fā)展具備先發(fā)優(yōu)勢。目前，在材料和電池體系研發(fā)方面，以及產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)速度、示范應(yīng)用與專利布局等方面，我們都處于國際前列。
參考來源:
1.楊冬榮、梁風(fēng)等《全固態(tài)鈉離子電池及界面改性》
2.中國科學(xué)報(bào) 《青島能源所完成固態(tài)鈉離子電池組在低速電動(dòng)車裝車示范》
3.康橋電池能源CamCellLab 《全固態(tài)鈉電池橫空出世！對比鋰離子電池優(yōu)勢在哪？》
4.樂普鈉電上海 《超越鋰電的嶄新未來，固態(tài)鈉電即將引領(lǐng)革命！》
5.儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù) 胡勇勝等《鈉離子固體電解質(zhì)材料研究進(jìn)展》
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/喬木）
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