浅析固态锂离子电池安全性

锂离子电池由于具有电压高、能量密度高、循环寿命长、无记忆效应和无污染等优点，被广泛应用于便携式消费电子产品、电动汽车和能源存储等领域。然而，近年来关于锂离子电池燃烧、爆炸而引发的安全事故屡见不鲜，严重打击了消费者信心，引起了人们对整个锂电行业的恐慌及安全担忧。因此，如何解决锂电池所面临的安全隐患引起了学术界和工业界的广泛关注。

重点内容导读

1.安全问题原因剖析

锂离子电池多次发生燃烧安全事故，从外部原因分析，过充、过放、电池短路、热冲击、针刺等会导致锂离子电池安全问题。从内部原因分析，造成液态锂离子电池安全问题的主要有如下几点：

① 负极析锂。

② 正极材料释氧及结构破坏。

③ 电解液分解和反应。

④ 隔膜均匀性差及收缩破裂。

⑤ 高温失效。

因此，满足高能量密度、高安全性储能电池技术的需要，开发理论上不易燃烧的固体电解质，进而发展出去替代传统易燃、易爆的有机电解液的固态锂电池，十分必要和迫切。

2、固态锂电池关键材料及性能测试

2.1 固体电解质

无机固体氧化物电解质相比较液体电解质具有十分优异的安全性，其在火烧、水洗及外力挤压条件下均能保持良好的稳定性和强度，不起火，不燃烧，如图1所示。

图1 无机固体氧化物电解质火烧(a)、水洗(b)和外力挤压(c)安全性测试

研制的氧化物柔性电解质膜，与传统PE隔膜、涂覆陶瓷PE隔膜及PET无纺布基膜相比，具有明显的抗热收缩性能（图2）和耐高温性（图3）。

图2 无机固体氧化物柔性电解质膜与传统隔膜不同高温下(a)MD方向和(b)TD方向收缩性对比曲线

图3 无机固体氧化物柔性电解质膜180℃高温收缩性对比测试

(a)湿法PE隔膜(b)湿法PE陶瓷涂覆膜(c)氧化物柔性电解质膜(d)PET无纺布基膜

中科院宁波材料所前期对硫化物电解质通过Zn，O双掺杂的工艺手段，可以显著提供其空气中稳定性，如图4(a)所示，且高温安全性好，电解质LGPS材料经过600 oC高温，仍具备电解质原来的晶体结构，图4(b)。

图4 硫化物电解质(a)空气中稳定性测试和(b)耐高温安全性测试

2.2、固态锂电池安全性

中科院宁波材料所试制了以氧化物固体电解质膜的全固态锂电池，该电池在弯折，剪切，甚至火烧情况下均能正常工作，图5(a)。另外，通过无机电解质层与有机电解质层的复合能有效改善界面，在60oC工作温度下循环1000周后仍具有90%以上的容量保持率，图5(b)。

图5 全固态锂电池(a)安全性能演示和(b)长循环性能

中科院青岛能源所制备的基于聚合物基固体电解质的全固态锂电池，在针刺试验中仍不起火、不爆炸，展现出极好的安全性（图6）。此外，北京科技大学研究团队通过“polymer-in-ceramic”的思路制备了有机/无机复合固体电解质薄膜，表现出良好的阻燃性，组装的全固态锂电池在各种工况下具备极好的安全性，图7。

图6 全固态锂电池针刺实验演示

图7 固体电解质膜阻燃性及固态锂电池安全性能演示

2.3 大容量固态锂电池性能测试

近年来，浙江锋锂新能源科技有限公司研发团队一方面通过设计材料表面结构原位构造界面修饰层，另一方面探索电池生产制造工艺，在新型固体电解质及其规模化稳定制备方面均取得了一定的成果，在固态锂电池器件构建方面也有了较大的突破，并成功组装了由表面修饰的三元NCM正极、固体电解质及碳复合负极组成的12Ah级混合固液电解质固态锂电池，并对该电池进行了循环测试和全面的安全性能测试。

2.3.1循环性能测试

在常温25℃，截止电压3~4.2V，充放电1C/1C的倍率下，首次放电容量9.86Ah，电芯循环1000周后电芯容量保持率达到90.3%，展示出良好的循环性能。

2.3.2安全性能测试

按照国标测试标准，对12Ah混合固液电解质锂电池进行安全测试，所有测试均以1C充满电（至4.2V），在100%SOC状态下进行，测试结果表明固态锂电池具有极高的安全性。

表1 混合固液电解质锂电池各项安全性能评估结果

3、结论

本文剖析了锂电池安全问题产生的根本原因，并结合我们在固态锂电池研究领域的技术与经验浅析了解决锂电池安全性问题的最佳方案。最后，通过对我们自主研发的12Ah固态锂电池的安全性测试表明固态锂电池具有极高的安全性。

团队介绍

浙江锋锂新能源科技有限公司（以下简称“浙江锋锂”）成立于 2017 年12月，注册资本 2.5 个亿，是专业致力于下一代新能源动力锂电池（固态锂电池）的研发、生产和销售的高科技企业。 公司具有强大的研发实力和雄厚的技术沉淀，汇聚了以原中科院宁波材料所研究员许晓雄博士为核心的近百人研发团队，其中硕士及以上学历人员占比超过60%，技术水平得到了行业内的充分肯定。“浙江锋锂”技术团队经过多年的研发创新，具有扎实的技术积累，已经具备从混合固液电解质固态锂电池到全固态锂电池的研发、试制及中试生产能力，即将建成我国第一条固态锂电池产业化中试生产线。