南策文院士：研发纳米陶瓷隔膜技术 打造电池“安全芯”

在日前召开的“2018首届中国新能源动力电池暨储能产业大会”上，中国科学院院士、清华大学材料科学与工程研究院院长南策文就动力电池材料、能量密度、安全性等问题和与会嘉宾进行了交流分享。

解决高能量密度锂离子电池安全性难题

南策文指出，动力电池有非常清晰的目标路线图，对电芯的发展很重要。材料在电池的研制中占有重要地位，在某些技术方面甚至是第一位的。锂离子电池是复杂的复合材料体系，包括多相正极材料、多相负极材料、电解液、（复合）隔膜、铜箔、铝箔等。锂电池要通过内部多种材料协同配合才能运作，要通过整个系统去优化，才能把电池的能量、功率、安全性、寿命、成本等做到最优。

动力电池的能量密度理论上跟很多因素有关，正极和负极材料决定了电池可以做到多高的密度。目前锂离子电池能量提升的途径主要是通过应用高能电极材料，运用高比能的材料组合来实现，但是高压电极容易引起液态电解液分离的安全问题。

南策文介绍，锂离子电池能量继续提升的途径是通过结构设计、集成技术来实现，也就是进一步提高电池器件集成度，增大电芯尺寸和单体电池尺寸。但是这样会造成隔膜机械强度降低的问题，容易发生热失控，降低电池的安全性。

研发纳米陶瓷隔膜技术打造电池“安全芯”

南策文表示，解决以上问题有很多途径，其中一个重要途径就是通过陶瓷隔膜来提高安全性，打造安全芯。把陶瓷隔膜纳米颗粒涂覆在隔膜上，可以增加隔膜强度。以现有的动力电池业态发展来看，“安全芯”的隔膜技术发展有三个阶段。

第一阶段是高端纳米陶瓷隔膜技术。采用纳米陶瓷纤维隔膜，其结构和蜘蛛网类似，具有更高的保液量、更低的直流内阻、更好的循环寿命、更低的热收缩、更好的机械强度、更佳的安全性，尤其在耐热性等方面具有很大的颠覆力。

第二阶段是Li传导纳米陶瓷隔膜技术。这种活性的陶瓷隔膜，具有独特的高安全性、高Li离子传导活性，大大提高了大倍率下的性能和高温性能，减少了电解液用量，对势能的提升也有非常大的帮助。

第三阶段是固态锂电池技术。即把“电解液＋隔膜”变成固体电解质。这种固体电解质第一个作用是快速传导，第二个作用是断隔作用，这是一个理想的作用。

安全性超强的固态软包电芯电池

“我们的团队做了一些固态软包电芯产品，”南策文谈道，“这类电池挤压后不会发生短路，而且可以看到经过两次穿刺后，其充放电曲线依然正常，气容量发挥率约80%，保护率比较高。”

南策文还介绍，将其团队研发的固态软包电芯产品充电至4.3V，侧方向挤压变形大于50％，也未出现冒烟起火、燃烧爆炸等问题。把针刺后的产品充满电，再进行重物冲击，也没有出现起火、燃烧等情况。对电池充电后，进行短路测试，最高温度达64.3℃，最大电流达47.9A。电池也没有出现冒烟、起火、爆炸等问题，依旧可以保持电容量。并且测试后也没有发现胀气等异常情况。

固态电解质可以解决安全问题，并且可以做到更高的比能量。固态软包电芯产品可以达到300Wh/kg-400Wh/kg，甚至可以超过431Wh/kg。南策文介绍，另一种柔性固态电芯，经过两回弯折后很快恢复，比能量没有降低，无论是弯折也好，卷曲甚至是对折也好，都不会出现问题。把该电池放入150℃水中2小时，电池没有出现起火、爆炸的情况。

根据国家产业政策，对提高锂电池的能量比重提出了很大要求，但是长期以来，锂电池存在能量密度越高，其安全性越低的科学顽疾，而纳米陶瓷隔膜技术的出现打破了这个魔咒，打造出了使锂电池不怕刺、不怕摔、不拍折的“安全芯”，在这个急需突破现有技术瓶颈的关键时期，无疑为整个动力电池业注入一支强心剂。