與電動汽車的鋰離子電池相比，用于智能手表等小型電子設備的固態(tài)電池可能更安全強大，且可存儲太陽能電池板的能量以備后用。然而，固態(tài)電池的普及仍存在一些技術挑戰(zhàn)。
據(jù)外媒報道，桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）研究小組發(fā)現(xiàn)，在許多情況下，含有少量液體電解質(zhì)的固態(tài)電池比鋰離子電池更安全。如果發(fā)生短路，電池會釋放所有儲存的能量，理論上超級安全的全固態(tài)電池也可能會釋放出危險的熱量。
桑迪亞博士后研究員Alex Bates表示：“固態(tài)電池或可變得更安全，且具有更高的能量密度。對電動汽車而言，這意味著更高的續(xù)航里程，或更少的電池來進行電網(wǎng)規(guī)模的儲能。添加液體電解質(zhì)還可推動商業(yè)化，且不會犧牲安全性。”
通過化學改善電池
固態(tài)電池有點像鋰離子電池。這兩種電池中的鋰離子會從電池的一側移動到另一側，而電子則通過電路為設備供電。但區(qū)別在于鋰離子電池中，液體電解質(zhì)可以幫助鋰離子快速移動。
參與該項目的桑迪亞電池測試實驗室（Battery Abuse Testing Laboratory）的電池安全專家Loraine Torres-Castro將液體電解質(zhì)比作一隊駛入車道的汽車：可將鋰離子直接運送到需要去的地方。然而，目前的液體電解質(zhì)易燃，可能導致電池爆炸或起火，尤其是在電池損壞時。
在固態(tài)電池中，液態(tài)電解質(zhì)由固態(tài)電解質(zhì)取代，從而加快鋰離子快速移動。Bates稱該技術的挑戰(zhàn)在于雖然鋰離子可以在固體電解質(zhì)中快速移動，但它們很難從固體電解質(zhì)移動到電極，反之亦然。固體電解質(zhì)就像一列火車，可以快速將鋰離子運送到車站，但乘客仍然需要走一段很遠的路才能回家。
為加快這種直接運送過程，科學家在電池的正極一側添加了少量液體電解質(zhì)，從而提高電池充電速度和性能。
然而，該項目的桑迪亞電池可靠性專家Yuliya Preger表示：“在固態(tài)電池研究界，關于將液體電解質(zhì)用于‘潤滑車輪’的安全性存在很多爭議。一些科學家說，無論加入多少液體電解質(zhì)都是不安全的。因此，我們進行了計算，以確定液體電解質(zhì)的影響可能有哪些。”
勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的電池科學家Steve Harris和桑迪亞電池科學家Katie Harrison也都參與了這項研究。
固態(tài)電池有多安全？
為了確定帶有少量液體電解質(zhì)的固態(tài)電池的安全性，研究小組首先計算了帶有不同體積液體電解質(zhì)的鋰離子電池、全固態(tài)電池和固態(tài)電池可以釋放的熱量值。隨后，研究人員還對電池可能發(fā)生的三種故障進行研究，以及測量每種故障所釋放的熱量值。
該項目的桑迪亞熱釋放計算專家John Hewson表示：“我們首先確定了這三種電池中有多少化學能。因為電池可以釋放的能量值是固定的，如果確實發(fā)生化學反應，這些能量會加熱電池。”
Torres-Castro稱，可能發(fā)生的第一種故障是電池因周圍電池或設施而起火。在這些情況下，研究人員發(fā)現(xiàn)，帶有少量液體電解質(zhì)的固態(tài)電池產(chǎn)生的熱量約為同類鋰離子電池的五分之一，具體值取決于液體電解質(zhì)的多少。因此沒有液體電解質(zhì)的固態(tài)電池不會產(chǎn)生任何熱量。
可能發(fā)生的第二種電池故障是反復充放電使得鋰金屬形成枝晶。Preger稱枝晶可刺穿能夠區(qū)分陰陽兩側的隔膜，從而引起短路。在這種情況下，上述三種電池產(chǎn)生的熱量相近，具體值取決于電池中鋰金屬的含量。
固態(tài)電池可能發(fā)生的第三種故障是固態(tài)電解質(zhì)可能會發(fā)生破裂。Torres-Castro表示，如果電池在運行過程中被壓碎或刺破，或者壓力升高，電池一側的氧氣就會和另一側的鋰金屬發(fā)生反應，從而會引起電池破裂。在這些情況下，沒有液體電解質(zhì)的固態(tài)電池的溫度與鋰離子電池非常接近，這一點讓研究小組非常震驚。
從安全計算到實驗室實驗
Preger稱：“固態(tài)電池的優(yōu)勢在于其安全性，因為固態(tài)電解質(zhì)十分堅固，不太可能會破裂。但一旦發(fā)生破裂，其溫度升高可能與鋰離子電池失效時一樣。此項研究著重強調(diào)了設計隔膜的重要性，從而保證固態(tài)電池的安全性。”
Bates稱該項目的下一步計劃是使用其他固體電解質(zhì)材料進行類似的研究，并驗證新的和原始的計算。Bates表示：“我們發(fā)現(xiàn)，若固態(tài)電池含有鋰金屬，無論它是否含有液態(tài)電解質(zhì)，該電池都存在潛在危險。通過此次研究，我們發(fā)現(xiàn)性能和安全性間存在一定的權衡，但若僅添加一小部分液體電解質(zhì)，電池的性能就能得到顯著提高，且對安全性的影響很小。”
Torres-Castro補充說：“清楚并確切知道少量液體電解質(zhì)不會引發(fā)巨大安全問題，將有助于固態(tài)電池的商業(yè)發(fā)展。添加液體電解質(zhì)可以解決其主要問題之一，即固體電解質(zhì)界面。”
