美國科羅拉多大學波爾多分校開發出全固態鋰電池

賈旭平

美國科羅拉多大學波爾多分校開發出全固態鋰電池

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商業化。這種新型的電池采用陶瓷電解質分離鋰金屬負極和正極，是一種完全的固態電池。因為沒有采用液態電解質（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生的安全問題。由于固態電池的安全性更好，因此無需過多的保護包裝，這樣就能減輕電動車電池系統的質量，有助于提高行駛里程。

目前，科羅拉多大學的技術轉讓辦公室已經與Solid Power公司達成一項協議，來開發和商業化這種新型的固態充電電池技術。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中的移動來產生電力。

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，使用高活性固態的金屬鋰和液態電解質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。

固態電池的研發已經有幾十年的歷史了。但是，很難研發出一種能夠讓離子像在液態電解質一樣輕松通過的固態電解質。

Stoldt說：“問題是固態電解質的性能總是很差，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電解質的研發取得了很大的進步。現在，固態電解質的離子電導率可匹敵液體電解質。”

Lee和Stodl t研發的固態電池的性能優于目前普遍使用的鋰離子電池的關鍵在于電池正極的構造，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，而是研發了一種“復合正極”，在本質上就是微小的正極材料和固態電解質粘合在一起，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：“其實固態復合正極的真正創新點是基于科羅拉多大學開發的鐵硫化學體系。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。”

去年，Lee和Stoldt兩位副教授還與一家小型早期產品開發商業公司Douglas Campbell合作來推廣Solid Power公司的產品。

固態電池的一般構造

固態電池一般由固態電解質層分離，電解質有很強的離子電導率和電子絕緣性。通常將固態電解質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：“我們對于全固態可充電電池所取得的商業成就感到非常興奮。目前，我們正積極與工業界的商業伙伴們磋商來協助全固態可充電電池的商業化。我們希望在未來18～24月內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，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循環的反應動力學:

F eS2/Li固態電池的優勢

● 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）；

● 由于使用了固態電解質，所以循環穩定性優良，因為固態電解質現在了電活化粒種；

● FeS2價格低廉、環保、能量密度高。