JLG蓄电池通过复合固态电解质隔膜增强半固态电池的钉刺安全性
来源：JLG电瓶 2026-02-28 10:35:44 点击：
摘要
本研究开发了一种用于半固态电池的复合固态电解质（SSE）隔膜，实现了通过严苛针刺测试的450 Wh/kg锂金属电池。该SSE由涂覆在聚丙烯基材上的PEO-LLZTO构成，具有优异的延伸率和离子电导率，可在针刺过程中实现有效的钉刺封装。采用内置热电偶的定制钢钉监测不同软包电池针刺测试中穿刺点的最高温度，相较于表面贴装热电偶提供了更精确的测量数据。并联电路模型量化分析表明，液态电池与半固态电池在峰值电流和短路内阻上存在显著差异。电解液注液量为1.4 g/Ah的半固态电池在3.2-7.5 Ah容量范围内均表现出安全性，而液态电池则出现失效。后测试显微镜图像证实了SSE在降低电极峰分裂高度与断裂面积中的作用。本研究为针刺分析提供了方法论框架，强调SSE隔膜是平衡能量密度与安全性的解决方案。引言
尽管固态电池（SSBs）相较于传统锂离子电池在安全性方面取得了显著进步，但近期实验研究与综合安全评估表明，其仍存在失效机制风险，特别是异常界面阻抗与锂枝晶穿透现象，这些会损害电化学性能并引发灾难性短路，最终导致热失控[8][9]。为解决这些局限性，半固态电池已成为一种实用的混合解决方案，其通过将高离子电导率的固态电解质隔膜与微量液态电解质或润湿剂相结合，以优化电极界面相容性[10][11][12]。然而，这种转变带来一个关键权衡：当传统隔膜被固态替代材料取代时，不成熟的制造工艺或次优化学体系可能会无意中降低能量密度[13][14][15]。为兼顾安全性与能量密度，研究人员采用了多种策略：高容量电极材料——采用Ni93正极与Si/C负极或锂金属以提升比容量[16][17][18]；工艺创新——通过干法厚电极工艺增加活性物质载量；原位聚合反应以减少电解液体积[19]；以及隔膜工程——开发超薄均匀复合固态电解质隔膜，在维持离子电导率的同时降低重量[20][21][22][23]。这类复合隔膜的设计必须严格平衡电化学性能（如离子电导率、界面稳定性）、制造可行性及能量密度优化，以确保同时实现安全性与性能指标。
在最为严苛的电池安全评估方案中，钉刺测试因其模拟极端滥用场景而成为电池失效研究的核心焦点[24][25][26][27][28]。该机制触发的热失控现象具有突发性，其过程过于迅速导致实验观测难以获取完整数据。为应对这些挑战，研究者们对钉刺引发内部短路及后续热失控的机理展开了广泛探究。这些研究涵盖材料改进，包括提升正极/负极材料的热稳定性以及优化隔膜/电解液的阻燃性能[29][30]；同时在电池设计方面进行创新，例如优化集流体以改善电流传导与散热性能、调整活性物质配方来降低界面阻抗，以及采用陶瓷表面涂层提高耐热性[31][32]。其他研究还包括开发内部温度监测方法，例如将传感器集成到电池中以监测热失控过程[33][34]，这对于解析和理解热失控阶段至关重要。此外，已建立完整的测试方案用于研究测试条件和荷电状态（SOC）影响等变量，并配合详细的电池安全失效分析[35][36]。先进的热电耦合模拟模型已被用于研究电芯和模组层级的热失控过程[37][38]。机理研究表明，在针刺触发热失控中，约占总产热量80%的主要热源来自正极集流体（Al）与满充负极之间的相互作用[39]。这一发现强调了隔膜在防止铝箔与负极之间发生短路的关键功能，凸显了其在电池安全中的核心作用[40]。
固态电解质隔膜为应对关键电池安全挑战提供了一种极具前景的解决方案。固态电池的发展从根本上依赖于兼具高稳定性和卓越离子电导率的固态电解质的开发，以替代传统液态电解质[41]。复合固态电解质通过将聚合物基体与氧化物基离子传导通道相结合，协同发挥了两种材料体系的互补优势。例如，LLZTO等氧化物基固态电解质具有独特的三维离子传导通道，而LATP变体则同时具备热稳定性和较高的离子电导率。基于聚合物的体系（包括PEO和PVDF隔膜）分别因其优异的延伸率和拉伸强度而具有独特优势，而Vi-PDMS聚合物隔膜则以其出色的韧性和弹性著称。这些聚合物膜以其固有的柔韧性、高延伸能力和离子导电性为特征，可能为提升电池整体安全性提供关键见解[42][43]。本研究的核心目标在于评估此类复合固态电解质隔膜能否有效缓解内部短路的严重程度，从而同时改善半固态电池系统的安全性能指标与电化学特性。
由于电池针刺事件具有快速瞬态特性，现有工艺分解方法仍存在明显不足[44][45][46][47][48]。为填补这一关键认知空白，本研究建立了针刺过程中内短路产热与过程动力学的综合分析框架。核心创新点在于采用特制的不锈钢穿刺钉，其内部嵌有温度传感器，可直接测量电池内部温度变化，而非仅依赖表面或极耳温度读数。实验系统整合了双电池并联电路模型与基于霍尔效应线圈的电流测量架构，构建了用于精细过程表征的新型数据采集平台。本研究的主要目标有两个方面：(1) 开发专为软包电池（pouch cell）应用定制的高级固态电解质隔膜；(2) 建立针对针刺过程分析的突破性研究方法。该方法系统地量化了关键操作参数，包括贯穿整个穿刺事件过程中的温度演变、电压掉落特性、电流波动、内阻变化以及功率变化。通过将这些关键工艺参数与产热特性和放电功率特性相关联，该方法不仅为针刺现象提供了机理层面的认识，同时还提供了一个适用于不同材料体系和电池构型的通用分析框架。最终，这种研究分解策略可作为各类电池结构安全优化的基础方法论。