美国科罗拉多大学波尔多分校开发出全固态锂电池

2013-07-05贾旭平

电源技术 2013年11期

贾旭平

贾旭平

近日，美国科罗拉多大学波尔多分校的研究人员开发出了一款先进的电池技术，其能使电动车一次充电的行驶距离与当下的电动车相比延长2倍，并且这种电池技术很快就能实现商业化。这种新型的电池采用陶瓷电解质分离锂金属负极和正极，是一种完全的固态电池。因为没有采用液态电解质（离子电导率较低，室温下为10－5～10－4S/cm），这就解决了使用金属锂作负极产生的安全问题。由于固态电池的安全性更好，因此无需过多的保护包装，这样就能减轻电动车电池系统的质量，有助于提高行驶里程。

目前，科罗拉多大学的技术转让办公室已经与Solid Power公司达成一项协议，来开发和商业化这种新型的固态充电电池技术。Solid Power公司是美国科罗拉多大学波尔多分校的子公司，由该校机械工程学院的副教授Se-Hee Lee和Conrad Stoldt共同创立。最近Solid Power公司还从美国能源部AR PA-E获得了340万美元的基金，以支持其开发出一种可延长电动车行驶距离的电池。

当前，电动车和消费电子上（如移动电话、膝上电脑）使用的蓄电池都是标准型的锂离子电池。该类型锂离子电池主要是依靠锂离子在电极间的液体电解质中的移动来产生电力。

一直以来工程师和化学家们都知道把金属锂作为充电电池负极，能够大幅提高电池的能量密度，而传统的锂离子电池通常是使用碳材料作为负极。但是，使用高活性固态的金属锂和液态电解质反应具有很高的危险性，因为这增大了热失控反应的几率，易导致火灾或者爆炸。

目前，使用锂离子电池需要配置一系列的设备来保护和冷却电池。2013年1月份波音飞机发生的火灾就与飞机上的锂电池有关，这一事件还导致波音新型飞机的暂时停飞。

固态电池的研发已经有几十年的历史了。但是，很难研发出一种能够让离子像在液态电解质一样轻松通过的固态电解质。

Stoldt说：“问题是固态电解质的性能总是很差，这使它们很难应用在充电电池中。不过，近十年的研究使得新型固态电解质的研发取得了很大的进步。现在，固态电解质的离子电导率可匹敌液体电解质。”

Lee和Stodl t研发的固态电池的性能优于目前普遍使用的锂离子电池的关键在于电池正极的构造，一旦金属锂释放出锂离子，正极就会吸引带正电的离子。Lee和Stodlt的电池没有使用实体金属，而是研发了一种“复合正极”，在本质上就是微小的正极材料和固态电解质粘合在一起，并注入添加剂来提高导电性。这样，离子和电子就能更自由地在正极流动了。

Stoldt副教授说：“其实固态复合正极的真正创新点是基于科罗拉多大学开发的铁硫化学体系。这种新型低成本的化学体系的容量是当前最好的正极的10倍多。”

去年，Lee和Stoldt两位副教授还与一家小型早期产品开发商业公司Douglas Campbell合作来推广Solid Power公司的产品。

固态电池的一般构造

固态电池一般由固态电解质层分离，电解质有很强的离子电导率和电子绝缘性。通常将固态电解质混合到正极中制成复合电极，这样离子传输速度会更快，再给复合电极中添加导电添加剂会加快电子的传输速度。

Solid Power公司的总裁Campbell说：“我们对于全固态可充电电池所取得的商业成就感到非常兴奋。目前，我们正积极与工业界的商业伙伴们磋商来协助全固态可充电电池的商业化。我们希望在未来18～24月内能制造出样品供实地测试。公司前期在科罗拉多波尔多分校的孵化对于公司的成功非常重要”。

Solid Power公司是Rocky Mountain Innosphere的成员。该组织是一家非盈利的技术孵化团体，总部设在科罗拉多州的Fort C ollins。主要职责是加速高科技启动公司的发展与成功。

Innosphere组织的CEO Mike Freeman说：“我们很高兴能与Solid Power公司的团队合作，并使他们的公司能更上一个台阶”。这对科罗拉多州的clean-tech space至关重要。Solid Power公司的电池将会对电动车市场产生重要影响，技术的市场前景有望达到200亿美元。

之前，唯一能进行可逆反应的FeS2/Li电池是热电池，其采用熔融盐电解质，工作温度超过400℃。