在安全的邊緣不斷試探鋰離子電池的前世今生

曹書

作為移動(dòng)辦公和移動(dòng)娛樂的主力軍，筆記本電腦的電池也同樣是它重要的組成部分，而作為一種高效而又持久的電池，鋰離子電池顯然就成了當(dāng)仁不讓的最佳選擇。

鋰離子電池的前世

鋰離子電池（Lithium-ion battery）是一種充電電池，主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。鋰離子電池使用一個(gè)嵌入的鋰化合物作為一個(gè)電極材料。目前用作鋰離子電池的正極材料主要常見的有：鋰鈷氧化物（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）、鎳酸鋰（LiNiO2）及磷酸鋰鐵（LiFePO4）。

最早提出鋰離子電池概念的，是上世紀(jì)七十年代在?？松ぷ鳎F(xiàn)在在賓漢頓大學(xué)工作的M.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，而安全的風(fēng)險(xiǎn)在這個(gè)時(shí)候就已經(jīng)與鋰離子電池如影相隨了———單單是在正常大氣條件下，只要有水和氧的存在，鋰的火烈性格就會(huì)展露無遺，并會(huì)隨之發(fā)生燃燒化學(xué)反應(yīng)。

可是，也正因?yàn)橛懈叨确磻?yīng)性，鋰元素作為電池的價(jià)值才會(huì)被難以忽視———因而M.S.Whittingham最終把研究方向轉(zhuǎn)移到了尋求用鋰化合物代替金屬鋰來釋放鋰離子上。

之后，順著這條研究路線，1982年伊利諾伊理工大學(xué)（the Illinois Institute of Technology）的R.R.Agarwal和J.R.Selman發(fā)現(xiàn)了鋰離子能夠嵌入石墨的特性，這一過程雖然同燃燒反應(yīng)一樣火烈熱切，但卻是可逆的。理論逐漸成熟的鋰離子電池，其安全隱患也是在這時(shí)，逐漸受到人們關(guān)注的。

抱著試一試的態(tài)度，實(shí)驗(yàn)室的小伙伴們開始嘗試?yán)娩囯x子嵌入石墨的特性，制作充電電池，最終，首個(gè)可用的鋰離子石墨電極在貝爾實(shí)驗(yàn)室試制成功了，這在人類電池史上可是濃重的一筆。

時(shí)光飛逝，轉(zhuǎn)眼間就到了1985年，這一年，日本旭化成的吉野彰運(yùn)用鈷酸鋰開發(fā)出了電池陰極，并徹底消除了純金屬鋰在電池結(jié)構(gòu)中的存在，從而完成了世界上最初可商業(yè)化的含鋰堿性鋰離子電池，1991年商用鋰離子電池是由索尼成功開發(fā)，也就毫無意外了。它的實(shí)用化，使人們的移動(dòng)電話、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備的重量和體積大大減小，并大大延長(zhǎng)了可持續(xù)時(shí)間（鋰離子電池中還不含有重金屬鎘哦，與鎳鎘電池相比，它大大減少了對(duì)環(huán)境的污染）。

鋰離子電池的商業(yè)化受到了人們的一致推崇———截至2016年，全球鋰離子電池產(chǎn)能為28千兆瓦時(shí)，光中國(guó)就貢獻(xiàn)了16.4億千瓦時(shí)。不過，時(shí)至今日，使用鋰離子卻仍然有風(fēng)險(xiǎn)存在。

今生———仍舊有安全風(fēng)險(xiǎn)

雖然，實(shí)驗(yàn)室的小伙伴們成功地把純粹的鋰金屬?gòu)匿囯x子電池當(dāng)中剔除了出去，但新的電池架構(gòu)仍然難以擺脫鋰元素那火烈熱切的性格。主要原因之一是，鋰電池采用的鈷酸鋰正極材料難以應(yīng)用在耐受穿刺、沖撞和高溫或低溫等環(huán)境，同時(shí)，鈷酸鋰電池也無法達(dá)到快速充電與完全避免二次污染等問題，因此其安全問題仍然會(huì)不時(shí)地重回公眾的視野。除罷大大小小有驚無險(xiǎn)的電池爆炸事件外，近期一名CEO還因此失去了生命。

正因?yàn)槿绱耍囯x子電池的安全問題也一直是廠商和政府重視的課題之一，現(xiàn)今的廠商通常都會(huì)有設(shè)計(jì)保護(hù)電路，以防止電池過度充電或過度放電，從而發(fā)生爆炸等危險(xiǎn)。

往往鋰離子電池的過充電、短路、熱沖擊和機(jī)械沖擊等都容易對(duì)電池的安全產(chǎn)生影響，因此一般情況下，鋰離子電池除了要滿足容量、內(nèi)阻和高低溫充放電性能的要求外，還需要通過各種安全性能測(cè)試，才能上市銷售。不過上市后出現(xiàn)問題的緊急召回也不時(shí)會(huì)有發(fā)生。不久前，因部分筆記本電腦的電池存在安全隱患，市場(chǎng)監(jiān)管總局就要求戴爾和三星召回一批有問題的筆記本電池。

根據(jù)公布的情況來看，三星將召回部分2012年12月～2013年7月期間制造的三星筆記本電腦配備的電池約9 000個(gè)，而戴爾則將召回部分2012年11月～2014年4月期間制造的戴爾筆記本電腦電池約數(shù)量為28 000個(gè)。

近20年來，各國(guó)產(chǎn)學(xué)界一直都在投入無數(shù)的研發(fā)人力與資源，去尋找能夠取代或解決LiCoO2安全問題的新材料———沒想到電池一直都這么危險(xiǎn)吧？

如何解決？

是的，電池一直都這么危險(xiǎn)。之所以你會(huì)對(duì)它產(chǎn)生“人畜無害”的印象，往往是因?yàn)閺S商的安全措施做的足夠豐富，使它即便出問題也很難傷到用戶———對(duì)于生產(chǎn)廠商而言，安全性問題能在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就解決自然是最好的。

由于鋰離子電池存在較多的安全隱患，因而，電池在設(shè)計(jì)時(shí)就必須采用一些特殊的措施以確保安全，目前采用較多的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是采用可熱封的隔膜、串聯(lián)正溫度系數(shù)電阻以及采用防爆蓋帽。

熱封閉隔膜

當(dāng)電池由于針刺或擠壓等產(chǎn)生很大的電流通過電池，造成電池溫度上升時(shí)，電池內(nèi)部的多孔隔膜就會(huì)迅速軟化，由于電池卷芯較緊，受到擠壓的隔膜就會(huì)因其多孔結(jié)構(gòu)的相互粘連，而形成一種幾乎完全封閉的結(jié)構(gòu)，并停止離子的傳輸并終止化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到電流被迅速切斷的目的。安全性能達(dá)標(biāo)的電池，往往會(huì)在這個(gè)環(huán)節(jié)就阻止溫度的進(jìn)一步上升，并使電池不再發(fā)生危險(xiǎn)。等于為電池加個(gè)保護(hù)膜，電池被戳破，可以迅速填補(bǔ)并斷電，防止爆炸。

但不達(dá)標(biāo)的產(chǎn)品，就有可能在這一步因?yàn)楦裟ぴ谏郎貢r(shí)沒有形成較好的封閉結(jié)構(gòu)，或者受力不均勻引發(fā)的收縮變形，從而造成電池的內(nèi)部由于短路而發(fā)生危險(xiǎn)。

正溫度系數(shù)電阻（PTC）

另外，利用電阻升溫阻值升高的原理所設(shè)計(jì)的保險(xiǎn)措施，也同樣十分有效———當(dāng)電池發(fā)生過充或者外部短路時(shí)，大量的電流會(huì)使電池所串聯(lián)的正溫度系數(shù)電阻升溫，從而導(dǎo)致電阻發(fā)熱、升高阻值，并因此降低流過電池的電流，以保障電池的安全。相當(dāng)于增加一個(gè)電阻守衛(wèi)，過充或短路→電流大→發(fā)熱→電阻提高→降低電流→保證安全。

安全閥

除了以上兩種比較常規(guī)的解決辦法外，還有一種腦洞大開的安全措施也同樣是現(xiàn)今廠商所樂于使用的。電池過充受熱后，電解液汽化和電解液分解產(chǎn)生氣體，都有可能造成電池內(nèi)部氣壓的驟然增加，從而導(dǎo)致電池的爆炸。防爆閥或防爆膜正是為此而設(shè)計(jì)的，它們會(huì)及時(shí)破裂，釋放電池的內(nèi)壓，從而保障用戶的財(cái)產(chǎn)和人身安全———安全閥知道電池過充“生氣了”，先引爆自己讓電池“泄氣”，保證安全。

提高電池安全的化學(xué)方法

此外，可聚合的添加劑、電壓敏感隔膜、氧化還原電對(duì)以及阻燃添加劑等化學(xué)方法也同樣是廠商所經(jīng)常采用的安全措施。

我們自己可以做什么？

不過，畢竟像筆記本這樣的電子產(chǎn)品，是存在不合格的漏網(wǎng)之魚的，那么，作為消費(fèi)者，我們都有什么辦法來防止危險(xiǎn)的發(fā)生呢？

第一，充電時(shí)不得高于最大充電電壓，放電時(shí)不得低于最小工作電壓。無論任何時(shí)間鋰離子電池都必須保持最小工作電壓以上，低電壓的過放或自放電反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致鋰離子活性物質(zhì)分解破壞，并且不一定可以還原———換句話說，最好不要把變壓器混用。

第二，鋰離子電池任何形式的過充都可能會(huì)導(dǎo)致電池性能受到嚴(yán)重破壞，甚至爆炸，因而在充電過程中要盡量避免對(duì)電池產(chǎn)生過充。

第三，避免高溫，有縮短壽命、引發(fā)爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，早期的筆記本電腦說明書都推薦拔除鋰離子電池的原因就是這個(gè)，以免受到電腦產(chǎn)熱的影響（不過現(xiàn)在筆記本電腦電池基本都內(nèi)置在了機(jī)身內(nèi)，這一做法自然也就不具有可行性了），但是，高溫?zé)嵩催€是要遠(yuǎn)離的，像冬天供暖的“小太陽”，顯然就是筆記本應(yīng)該遠(yuǎn)離的對(duì)象。

第四，避免凍結(jié)，如果外出要去氣候比較寒冷的地方，如果自己的筆記本或是其他電子產(chǎn)品不是有特殊針對(duì)環(huán)境的保護(hù)的話，考慮到可能會(huì)有產(chǎn)品質(zhì)量的問題，還是不要帶了（不過多數(shù)鋰離子電池電解質(zhì)溶液的冰點(diǎn)在-40℃，如果產(chǎn)品質(zhì)量有保障的話，還是不會(huì)有問題的）。

總而言之，雖然我們處在一個(gè)科技大爆發(fā)，有各種電子產(chǎn)品改善生活的時(shí)代里，但是過于依賴電子產(chǎn)品而不加篩選和防備卻不是好事，鋰離子電池便是一個(gè)活生生的例子。用好了，它能很好地改善我們的生活環(huán)境，擴(kuò)大我們的活動(dòng)范圍和工作效率，反之，它也可能會(huì)帶來財(cái)產(chǎn)損失和安全威脅———沒有人想發(fā)生這一切，所以小心點(diǎn)總是沒有錯(cuò)的。