鋰電池設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)誘發(fā)的安全問(wèn)題

這些年，鋰離子電池著火之類的安全問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，像筆記本電腦被燒毀，手機(jī)自燃甚至是爆炸，純電動(dòng)汽車自燃起火等等案例著實(shí)不少。2016 年，三星的Galaxy Note 7智能手機(jī)著火爆炸，導(dǎo)致50億美元的召回，隨后該機(jī)型停產(chǎn)，此舉使三星的市值減少了數(shù)十億美元。汽車方面，特斯拉和蔚來(lái)汽車的自燃事件同樣導(dǎo)致召回，去年特斯拉召回1.4萬(wàn)輛，蔚來(lái)汽車召回4803輛，損失都很慘重。

對(duì)于這些問(wèn)題，三星曾宣布這是由于兩個(gè)獨(dú)立的設(shè)計(jì)問(wèn)題造成了電池故障，然后導(dǎo)致過(guò)熱造成的。而特斯拉也曾坦白，MODEL S的電池存在冷卻裝置設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)膯?wèn)題。稍有設(shè)計(jì)缺陷就會(huì)產(chǎn)生相同的災(zāi)難性結(jié)果，其實(shí)這凸顯了當(dāng)今鋰離子電池固有的不穩(wěn)定特性。可以說(shuō)，任何安裝鋰離子電池的移動(dòng)產(chǎn)品都不可能百分百安全，這是如今主流鋰電池設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)決定的。

那么現(xiàn)有主流的鋰電池設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)是怎么來(lái)的？

最早提出鋰離子電池概念的，是上世紀(jì)七十年代在?？松ぷ鞯腗.S.Whittingham。他采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成了首個(gè)鋰離子電池。自此鋰離子電池技術(shù)開始發(fā)展。一直到在上世紀(jì)八九十年代，在鋰離子電池的研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)中，日本索尼公司（Sony Corp.）于 1991年最先開發(fā)成功可商用的鋰離子電池，贏得了這場(chǎng)戰(zhàn)役。而驅(qū)動(dòng)索尼公司決定投入大力將鋰離子電池商業(yè)化的原因，主要是兩點(diǎn)。一是它的手持式攝錄機(jī)是當(dāng)時(shí)索尼的主推產(chǎn)品（可以說(shuō)這是后續(xù)即將出現(xiàn)的許多耗電便攜式設(shè)備的先驅(qū)），它急需一種在非常緊湊局促空間容納的超高容量電池。二是盒式錄音帶正在以光速讓位于碟式光盤。

讀者看到這里可能會(huì)質(zhì)疑，后者貌似和鋰電池沒(méi)有絲毫聯(lián)系，但實(shí)際上這兩者對(duì)索尼公司來(lái)說(shuō)緊密相關(guān)。當(dāng)時(shí)索尼在盒式錄音帶方面有過(guò)多的資源亟待分配。盒式錄音帶在生產(chǎn)線上制造的方式是，首先用磁性漿料涂布塑料薄膜，然后將其干燥，切成長(zhǎng)條，然后卷起來(lái)。但當(dāng)時(shí)盒式錄音帶的銷售已經(jīng)越來(lái)越成問(wèn)題，使得相應(yīng)的生產(chǎn)與研發(fā)停滯。而當(dāng)時(shí)新興的光盤使用了非常不同的生產(chǎn)工藝，因此索尼突然發(fā)現(xiàn)自己擁有大量暫時(shí)無(wú)用的制造磁性錄音帶的設(shè)備以及運(yùn)行這些設(shè)備的技術(shù)人員。

索尼電池部門的經(jīng)理們意識(shí)到，他們可以通過(guò)使用相同的制造設(shè)備和人員將化學(xué)漿料涂覆到金屬箔上，進(jìn)行干燥并將其切成電極片，從而徹底解決設(shè)備和人員冗余問(wèn)題。所以，為了充分利用現(xiàn)有設(shè)備，索尼設(shè)計(jì)了這樣的結(jié)構(gòu)：鋰電池主要由陽(yáng)極（Anode）（或正極）、陰極（Cathode）（或負(fù)極）、電解液（electrolyte）和隔膜（Separator）組成。在兩個(gè)電極片中間夾以聚合物隔膜，該隔膜使離子（而不是電子）在電極之間流動(dòng)，并且整個(gè)堆疊纏繞在一起。從此以后，鋰離子電池制造商就一直使用這種結(jié)構(gòu)到現(xiàn)在。

上圖在本人文章 《新能源汽車?yán)?藍(lán)光激光銅焊接》出現(xiàn)過(guò)，非常好的顯示了現(xiàn)在主流的鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

這種設(shè)計(jì)很聰明，利用了當(dāng)時(shí)的一切冗余資源。但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，如果誰(shuí)想要在此基礎(chǔ)上對(duì)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)卻困難重重。

首先，這種設(shè)計(jì)浪費(fèi)了空間。

在電池中，唯一存儲(chǔ)能量的材料是構(gòu)成陽(yáng)極（負(fù)電極）和陰極（正電極）的顆粒。金屬箔集電器，隔膜和包裝材料以及空白空間通常至少占總體積的40％。將如此多的空間用于其他事情卻不是存儲(chǔ)能量，毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)降低電池的能量密度（瓦時(shí)/升（Wh / L））。

例如，用于移動(dòng)設(shè)備的常規(guī)鋰離子電池構(gòu)造通常將電極片和隔膜纏繞在一起，然后將所得的螺旋弄平，以裝入細(xì)長(zhǎng)的金屬盒或塑料袋中。此過(guò)程在開始和結(jié)束時(shí)需要一定長(zhǎng)度的毛坯（即未涂覆的）集電器和隔膜，該毛坯會(huì)占用體積，但不會(huì)存儲(chǔ)能量。單元格的中央和單元格的兩側(cè)也可能留有空余空間。

聚合物隔膜是一種惰性材料，在物理上必須比電極長(zhǎng)和寬，以確保電極邊緣不會(huì)相互接觸。增加能量密度的一種方法是使隔膜變薄。但是如果太薄，則電池容易短路。

在這里值得強(qiáng)調(diào)的，就是三星 Note 7 的爆炸事件基本能判斷就是由于隔膜太薄造成的。研究發(fā)現(xiàn)，手機(jī)廠商為 了提升電池的體積能量密度、延長(zhǎng)手機(jī)電池續(xù)航能力，而采用了更薄的隔膜材 料，但是由于對(duì)隔膜材料質(zhì)量控制不嚴(yán)或者工藝缺陷，導(dǎo)致隔膜局部變薄，不能有效隔離正極與負(fù)極，從而造成了電池的安全問(wèn)題。由此許多人認(rèn)為，Note 7 爆炸的根源，歸根結(jié)底是因?yàn)槿菫榱颂嵘m(xù)航能力，忽視了安全考量。但實(shí)際上，這個(gè)原因還是少算了一層，根源原因還是由于電池本質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成的，只要市場(chǎng)上存在增大電池能量的需求，沒(méi)有三星，后面也會(huì)有別的公司發(fā)生這種事故。

索尼結(jié)構(gòu)的另一個(gè)問(wèn)題是在組裝過(guò)程中會(huì)不可避免地引入的微觀金屬顆粒的存在，它們會(huì)積聚在電活性點(diǎn)上，從而造成嚴(yán)重的短路，在電極之間分流足夠的電流從而急劇升高溫度。然后就可能影響附近的區(qū)域，從而引發(fā)所謂的熱失控，引起爆炸和火災(zāi)。完全消除金屬微粒幾乎是不可能的，因?yàn)樗鼈兪窃谏a(chǎn)和組裝過(guò)程中由切割，軋制和纏繞機(jī)械產(chǎn)生的。

除此之外，充電過(guò)程也可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。當(dāng)鋰離子從鋰金屬氧化物陰極流向石墨陽(yáng)極時(shí)，通常鋰離子會(huì)嵌入石墨晶格結(jié)構(gòu)的間隙中，這一過(guò)程稱為嵌入（intercalation）。但是高充電電流，局部缺乏活性陽(yáng)極材料或較低的環(huán)境溫度會(huì)導(dǎo)致鋰離子鍍?cè)陉?yáng)極表面上。然后，鋰金屬可能會(huì)堆積成稱為樹突的線狀結(jié)構(gòu)，隨著電池的充電和放電而增長(zhǎng)，最終刺穿隔板并形成短路，從而導(dǎo)致熱失控。最后，如果鋰離子電池溫度過(guò)高，也可能會(huì)變得不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致熱失控。

Anode：陽(yáng)極/ Cathode：陰極

上圖解釋了何為熱失控。這個(gè)過(guò)程為5步：1.熱量產(chǎn)生；2.保護(hù)層破壞；3. 電解液分解成易燃?xì)怏w；4.隔膜熔化，可能造成短路；5.陰極破壞，產(chǎn)生氧。

所以，傳統(tǒng)的鋰離子電池的結(jié)構(gòu)采用磁錄音磁帶生產(chǎn)技術(shù)，使其易受熱失控的影響，這可能導(dǎo)致爆炸或火災(zāi)造成災(zāi)難性的損害。也由于此，許多公司都在想盡辦法研究顛覆這一設(shè)計(jì)的全新鋰離子電池。

責(zé)任編輯：PSY