據外媒報道,在向清潔能源轉型的過程中,鋰離子電池已經成為最突出的儲能選項之一,因其能量密度高且成本低。但是,由于日歷壽命(calendar life)短,即使是最先進的鋰離子電池,也難以支持眾多重型儲能應用。
據稱電池的容量下降至初始容量的80%,即達到日歷壽命的終點。為了適應電網規模儲能等重負載應用,避免產生高昂的更換成本,鋰離子電池的日歷壽命需要達到15-20年左右,但該技術遠未達到這一水平。研究人員表示,為了使商業重型儲能取得更大的成功,需要更密切地關注鋰電池的腐蝕原因,以及如何抑制這種腐蝕。
與所有電池一樣,鋰電池(包括鋰離子電池)的日歷壽命,取決于其在存儲和充電循環中的穩定性(抗退化性),而循環穩定性又取決于負極、正極和電解液的穩定性,包括這些電池組件之間的界面及主體材料的穩定性。為了提高循環穩定性,電化學家致力于優化基體材料結構、調整界面和設計更好的電解液。北京理工大學的張學強表示:“但在改善決定日歷壽命的第二個因素——存儲穩定性,還有腐蝕如何破壞存儲穩定性方面,投入的精力相對較少。”
鋰電池可能有很長時間是在存儲能量,而不是循環使用。在存儲過程中會發生各種有害的化學反應,從而導致成分退化,尤其是電極材料的高反應性,以及收集電流的元素和電解液之間不兼容。這種退化(也稱為腐蝕)降低了電池的結構穩定性,最終縮短了日歷壽命。因此,要改善存儲穩定性,必須側重于更好地了解腐蝕機制,以及制定抗腐蝕策略。北京理工大學的研究人員黃佳琦表示:“研究人員希望概括性描述關于腐蝕和存儲穩定性的研究現狀,以便更好地了解和解決研究空白。在所有類型的鋰電池中,在很大程度上,腐蝕仍然是有待解決的問題。”
在查閱了有關這一主題的科學文獻后,研究人員認為,鋰電池中的腐蝕反應主要涉及三個方面:鋁集流器的電化學腐蝕;電池不銹鋼外殼的電化學腐蝕;以及負極的電偶腐蝕(兩種金屬在同一介質中接觸時出現的局部腐蝕現象, 電位較低金屬的腐蝕速度加快,電位較高金屬的腐蝕速度降低)。總的來說,腐蝕是由電極材料和電解液之間的化學反應和電化學反應引起的。
目前為止,研究人員主要關注三種抗腐蝕的策略,包括調節電解質分解反應;通過人工涂層來隔離電極材料與電解質;以及對電極材料進行表面改性,以降低其反應性。
研究人員提出五項主要建議,以推動對鋰電池存儲腐蝕問題的研究:
首先,需要深入研究鋰電池中常見的電偶腐蝕(galvanic corrosion)問題。目前,幾乎沒有可以緩解這種情況的有效策略。對銅集流器進行表面改性,是一種值得探究的方法,通過使用電解質添加劑可以實現這一點。另外,為銅箔開發一種保護性表面涂層,可能也是一種方法。
其次,所有未來改進策略,都需要在溫度、濕度等現實條件下進行評估,而不是局限于實驗室。研究人員發現,通常情況下,大多數新型抗腐蝕策略都是在實驗室中非常溫和的環境條件下進行評估的,而不是在現實世界中。
相應地,第三種策略集中于加速評估進程。腐蝕通常是一個緩慢的過程,對其進行評估要耗費大量時間,因此成本較高。找出可以加快這一進程的方法,具有重要意義。
除了進行現實世界觀察,研究人員還應該采用實時監測方法,了解工作電池的腐蝕情況。這將有助于更好地識別電池的健康狀態,更為準確地預測電池壽命,避免突然發生電池故障。
最后,新的電池設計不斷出現,加劇了這些問題。新的電極材料和電解質不斷開發出來,研究人員會定期測試這些新設計的循環性能,但很少測試其對腐蝕的影響。然而,新材料可能相應地改變腐蝕機制,因此需要改變抗腐蝕策略。
研究人員希望,這些建議能夠幫助電池開發人員在鋰電池抗腐蝕方面取得突破,從而延長電池的使用壽命。