賈旭平

美國科羅拉多大學波爾多分校開發(fā)出全固態(tài)鋰電池

賈旭平

近日，美國科羅拉多大學波爾多分校的研究人員開發(fā)出了一款先進的電池技術，其能使電動車一次充電的行駛距離與當下的電動車相比延長2倍，并且這種電池技術很快就能實現(xiàn)商業(yè)化。這種新型的電池采用陶瓷電解質(zhì)分離鋰金屬負極和正極，是一種完全的固態(tài)電池。因為沒有采用液態(tài)電解質(zhì)（離子電導率較低，室溫下為10－5～10－4S/cm），這就解決了使用金屬鋰作負極產(chǎn)生的安全問題。由于固態(tài)電池的安全性更好，因此無需過多的保護包裝，這樣就能減輕電動車電池系統(tǒng)的質(zhì)量，有助于提高行駛里程。

目前，科羅拉多大學的技術轉(zhuǎn)讓辦公室已經(jīng)與Solid Power公司達成一項協(xié)議，來開發(fā)和商業(yè)化這種新型的固態(tài)充電電池技術。Solid Power公司是美國科羅拉多大學波爾多分校的子公司，由該校機械工程學院的副教授Se-Hee Lee和Conrad Stoldt共同創(chuàng)立。最近Solid Power公司還從美國能源部AR PA-E獲得了340萬美元的基金，以支持其開發(fā)出一種可延長電動車行駛距離的電池。

當前，電動車和消費電子上（如移動電話、膝上電腦）使用的蓄電池都是標準型的鋰離子電池。該類型鋰離子電池主要是依靠鋰離子在電極間的液體電解質(zhì)中的移動來產(chǎn)生電力。

一直以來工程師和化學家們都知道把金屬鋰作為充電電池負極，能夠大幅提高電池的能量密度，而傳統(tǒng)的鋰離子電池通常是使用碳材料作為負極。但是，使用高活性固態(tài)的金屬鋰和液態(tài)電解質(zhì)反應具有很高的危險性，因為這增大了熱失控反應的幾率，易導致火災或者爆炸。

目前，使用鋰離子電池需要配置一系列的設備來保護和冷卻電池。2013年1月份波音飛機發(fā)生的火災就與飛機上的鋰電池有關，這一事件還導致波音新型飛機的暫時停飛。

固態(tài)電池的研發(fā)已經(jīng)有幾十年的歷史了。但是，很難研發(fā)出一種能夠讓離子像在液態(tài)電解質(zhì)一樣輕松通過的固態(tài)電解質(zhì)。

Stoldt說：“問題是固態(tài)電解質(zhì)的性能總是很差，這使它們很難應用在充電電池中。不過，近十年的研究使得新型固態(tài)電解質(zhì)的研發(fā)取得了很大的進步?，F(xiàn)在，固態(tài)電解質(zhì)的離子電導率可匹敵液體電解質(zhì)?！?/p>

Lee和Stodl t研發(fā)的固態(tài)電池的性能優(yōu)于目前普遍使用的鋰離子電池的關鍵在于電池正極的構(gòu)造，一旦金屬鋰釋放出鋰離子，正極就會吸引帶正電的離子。Lee和Stodlt的電池沒有使用實體金屬，而是研發(fā)了一種“復合正極”，在本質(zhì)上就是微小的正極材料和固態(tài)電解質(zhì)粘合在一起，并注入添加劑來提高導電性。這樣，離子和電子就能更自由地在正極流動了。

Stoldt副教授說：“其實固態(tài)復合正極的真正創(chuàng)新點是基于科羅拉多大學開發(fā)的鐵硫化學體系。這種新型低成本的化學體系的容量是當前最好的正極的10倍多?！?/p>

去年，Lee和Stoldt兩位副教授還與一家小型早期產(chǎn)品開發(fā)商業(yè)公司Douglas Campbell合作來推廣Solid Power公司的產(chǎn)品。

固態(tài)電池的一般構(gòu)造

固態(tài)電池一般由固態(tài)電解質(zhì)層分離，電解質(zhì)有很強的離子電導率和電子絕緣性。通常將固態(tài)電解質(zhì)混合到正極中制成復合電極，這樣離子傳輸速度會更快，再給復合電極中添加導電添加劑會加快電子的傳輸速度。

Solid Power公司的總裁Campbell說：“我們對于全固態(tài)可充電電池所取得的商業(yè)成就感到非常興奮。目前，我們正積極與工業(yè)界的商業(yè)伙伴們磋商來協(xié)助全固態(tài)可充電電池的商業(yè)化。我們希望在未來18～24月內(nèi)能制造出樣品供實地測試。公司前期在科羅拉多波爾多分校的孵化對于公司的成功非常重要”。

Solid Power公司是Rocky Mountain Innosphere的成員。該組織是一家非盈利的技術孵化團體，總部設在科羅拉多州的Fort C ollins。主要職責是加速高科技啟動公司的發(fā)展與成功。

Innosphere組織的CEO Mike Freeman說：“我們很高興能與Solid Power公司的團隊合作，并使他們的公司能更上一個臺階”。這對科羅拉多州的clean-tech space至關重要。Solid Power公司的電池將會對電動車市場產(chǎn)生重要影響，技術的市場前景有望達到200億美元。

之前，唯一能進行可逆反應的FeS2/Li電池是熱電池，其采用熔融鹽電解質(zhì)，工作溫度超過400℃。

聚焦離子束（FIB）樣品制備的帶電FeS2電極的TEM分析

FeS2氧化還原反應的過程：

充電FeS2電極的TEM分析

正斜方晶FeS2納米粒子可以更好地解釋后續(xù)循環(huán)的反應動力學:

F eS2/Li固態(tài)電池的優(yōu)勢

● 與當前最先進的Li Ni1/3Mn1/3Co1/3O2/石墨體系電池相比，能量密度提高了近乎三倍（FeS2/Li固態(tài)電池為1340 W h/kg，Li Ni1/3Mn1/3Co1/3O2/石墨體系電池為500W h/kg）；

● 由于使用了固態(tài)電解質(zhì)，所以循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)良，因為固態(tài)電解質(zhì)現(xiàn)在了電活化粒種；

● FeS2價格低廉、環(huán)保、能量密度高。