目前，固态电池有可能比锂离子电池更安全、更强大。固态电池开始应用于电动汽车等领域。然而，在固态电池普及之前，还存在一些技术挑战。
桑迪亚国家实验室牵头的一项研究于 3 月 7 日发表在科学期刊Joule上，解决了其中一个挑战——长期以来的假设是，添加一些液体电解质以提高性能会使固态电池不安全。相反，研究小组发现，在许多情况下，含有少量液体电解质的固态电池比锂离子电池更安全。他们还发现，如果电池发生短路，释放所有储存的能量，理论上超级安全的全固态电池可能会释放出危险的热量。
“固态电池具有更安全的潜力，并且它们具有更高的能量密度，”领导该论文研究的桑迪亚博士后研究员亚历克斯贝茨说。“这意味着，对于电动汽车，你可以在两次充电之间走得更远，或者需要更少的电池来进行电网规模的储能。添加液体电解质可能有助于弥合商业化的差距，而不会牺牲安全性。”
Alex Bates 和桑迪亚国家实验室的工程师 John Hewson 在专门设计的电池测试室前检查锂离子电池。他们将传统锂离子电池释放的热量与固态电池和带有少量液体电解质的固态电池释放的热量进行了比较。他们发现在许多情况下，含有少量液体电解质的固态电池比锂离子电池更安全。
通过化学方法改善电池固态电池有点像锂离子电池。在两者中，锂离子从电池的一侧移动到另一侧，而电子则通过电路为设备供电。一个很大的区别是，在整个锂离子电池中，有一种物质可以帮助锂离子快速移动：液体电解质。
参与该项目的桑迪亚电池滥用测试实验室的电池安全专家 Loraine Torres-Castro 将液态电解质比作驶入车道的车队：它将锂离子直接运送到需要去的地方。然而，目前的液体电解质易燃，可能导致电池爆炸或起火，尤其是在电池损坏时。
在固态电池中，液态电解质被称为固态电解质的固态材料所取代，这也有助于锂离子快速移动。贝茨说，一项技术挑战是，虽然锂离子可以在固体电解质中快速移动，但它们很难从固体电解质移动到电极，反之亦然。固体电解质可以比作一列火车，也可以快速将锂离子运送到车站，但乘客仍然需要走得更远才能回家。
科学家加快这种“直接穿梭”的一种方法——从而提高电池充电速度和性能——是在电池的正极侧添加一点液体电解质。
然而，该项目的桑迪亚电池可靠性专家 Yuliya Preger 表示：“在固态电池研究界，关于将液体电解质用于‘润滑车轮’的安全性存在很多争议。一些科学家说，任何数量的液态电解质都是不安全的。因此，我们进行了计算，看看液态电解质的影响可能是什么。”
劳伦斯伯克利国家实验室的电池科学家史蒂夫哈里斯和桑迪亚电池科学家凯蒂哈里森首先质疑导致这项研究的“路线”。两人都参与了这项研究。
桑迪亚国家实验室的电池测试实验室展示了电池可能发生故障的不同方式的。
固态电池有多安全？
为了弄清楚带有少量液体电解质的固态电池的安全性，研究小组首先计算了锂离子电池、全固态电池和固态电池可以释放多少热量具有不同数量液体电解质的电池。所有测试的电池都具有等量的存储能量。然后，他们研究了电池可能发生的三种不同的故障，以及由于每种故障而释放的热量。
“我们首先确定了三种电池中有多少化学能，”该项目的桑迪亚热释放计算专家约翰休森说。“可以释放的能量只有这么多，如果确实发生化学反应，它会使电池加热一定程度。”
Torres-Castro 说，可能发生的第一件故障是电池起火——来自邻近的电池或周围的物件。在这些情况下，研究人员发现，其中含有少量液体电解质的固态电池产生的热量约为同类锂离子电池的五分之一——这取决于它有多少液体电解质。在这种情况下，没有液体电解质的固态电池不会产生任何热量。
电池可能发生的第二个故障是，如果反复充电和放电导致锂金属形成称为枝晶的“尖峰”。Preger 说，这种枝晶可以在隔膜上刺出一个孔，使两侧保持不同并导致短路。这是所有一侧有锂金属的电池的一个已知问题。在这种情况下，所有三个电池都会产生相似的热量，这取决于电池中锂金属的含量。
固态电池可能发生的第三个故障是固态电解质可能会破裂。Torres-Castro 说，如果电池在运行过程中被压碎或刺破，或者由于压力升高，都会发生这种情况，这将使电池一侧的氧气与另一侧的锂金属发生反应。在这些情况下，没有液体电解质的固态电池可以达到接近锂离子电池的温度，这让研究小组感到惊讶。
结语
“我们发现，如果固态电池含有锂金属，无论它是否含有液态电解质，它都有可能造成危险，”他说。“我们在本文中试图指出的是，性能和安全性之间存在一定的权衡，但添加一点液体可能会大大提高性能，而对安全性的影响很小。”Torres-Castro 补充说，了解这种权衡可能有助于加快商业化进程。“清楚并有信心知道少量液体电解质不会造成巨大的安全问题，这可能有助于商业固态电池的发展。
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