鉅大LARGE | 點擊量：870次 | 2019年05月14日
在電池安全問題上，人類科技可能遇到了一個瓶頸
自2017年三星推出“Boom7”以來，貼身數(shù)碼產(chǎn)品的電池安全問題突然成了消費者關(guān)注的重點。不少科學(xué)家和創(chuàng)業(yè)公司一頭扎進這個領(lǐng)域，試圖通過修改設(shè)計、推出新材料，一勞永逸地解決這個問題。然而，至今為止，所有的新路都是死路。在很長一段時間內(nèi)，最實用的解決方案可能就是最無趣的那種。
按照主流思路，改進電池安全性主要從3個方面下手：減少固體電池中的易燃液體量;為電池裝上防火部件;或者微調(diào)一下電池的功能，避免過快地充放電。至少，以目前的技術(shù)前景來看，電池出現(xiàn)革命性變化的可能性不大。
要理解這個問題，首先要具備對電池工作原理以及電池損壞原理的基本知識。這里要補充一下，本文討論的主要是鋰離子電池。鋰離子電池能量密度高、充放電速度快，是目前最主流的電池類型。科學(xué)家們也在開發(fā)鎂電池(充放電慢)和硫電池(容量小)，但在短期內(nèi)，鋰電池的地位無可替代。
先看原理：鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質(zhì)的電池。在充放電時，正負極各自發(fā)生反應(yīng)，鋰離子在高度易燃的電解質(zhì)之中，從一極移動到另一極。
導(dǎo)致鋰離子電池起火的原因有很多，最常見是，在充放電過程中，糟糕的電池設(shè)計或電池自身產(chǎn)生了過多的熱量，超出了熱量控制范圍。電池制造商還在電池的兩側(cè)放置隔離膜以防止接觸。如果隔離膜出現(xiàn)問題，可能導(dǎo)致電池短接，從而導(dǎo)致過熱起火。據(jù)透露，三星“Boom7”其中一個批次的電池，就是因為錯誤的設(shè)計導(dǎo)致隔離膜破損，從而引發(fā)爆炸。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
知道問題，科學(xué)家就能對癥下藥，其中1種方法是采用固態(tài)電池，原因很簡單：既然電池中的液態(tài)電解質(zhì)是起火的主要原因，那就不用它了，而固體基本不存在過熱起火的問題。不過，固態(tài)電池的缺點也很明顯——離子在固體中移動困難，這意味著固態(tài)電池更難設(shè)計、更貴，而且性能很難趕上液態(tài)電池。
從理論上說，制造固態(tài)電池的材料主要有3種。塔夫茨大學(xué)材料科學(xué)家、固態(tài)電池公司Ionicmaterials創(chuàng)始人齊默爾曼(MichaelZimmerman)表示，可以用陶瓷、玻璃或聚合物充當(dāng)電解質(zhì)。
問題是，陶瓷和玻璃很脆，稍稍施加壓力，它們就會破裂(畢竟對于許多電子產(chǎn)品，抗摔是個重要特性)。此外，齊默爾曼表示，相較一些化學(xué)制品，陶瓷和玻璃的生產(chǎn)工藝更復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，因此，要將其大規(guī)模投入使用有點不切實際。與此同時，陶瓷和玻璃的制造過程有時會排放有毒氣體。
相較而言，固態(tài)聚合物也許是液態(tài)電解質(zhì)的最佳替代品。目前，科學(xué)界已經(jīng)研發(fā)出某些能傳導(dǎo)離子聚合物，但通常只能在極高的溫度下工作。而齊默爾曼的團隊開發(fā)了一種聚合物，可以在室溫下傳導(dǎo)離子，同時還具備阻燃劑。他們曾經(jīng)發(fā)布一個視頻，當(dāng)場切碎一塊聚合物，既沒有爆炸，也沒有著火，安全性很高。
根據(jù)齊默爾曼的說法，Ionicmaterials已經(jīng)和制造商合作，研究聚合物電池的制造工藝，預(yù)計2-3年內(nèi)就能投產(chǎn)。不過，消費者最好不要對“2-3年”抱太大期望，因為據(jù)咨詢公司NavigantResearch電池行業(yè)分析師麥克倫尼(IanMcClenny)所說，“在過去4到5年中，已經(jīng)有多家公司承諾，會在2-3年內(nèi)將固態(tài)電池投產(chǎn)”。
麥克倫尼表示，幾乎所有的電動汽車制造商都在固態(tài)技術(shù)方面取得了突破，但是幾乎沒有一種發(fā)展到商業(yè)化，甚至接近商業(yè)化的程度。他說:“我認為，在20世紀20年代早期或中期之前，固態(tài)電池都不會成為一種選擇，因為這種電池的壽命都不長?！?/p>
對電池創(chuàng)新需求最大的是電動汽車。然而，按照大多數(shù)固態(tài)電池一年半的壽命來看，對于手機等電子產(chǎn)品來說，可以接收，但是很難滿足電動汽車的需求。
因此，從短期看，固態(tài)電池革命并不現(xiàn)實，科學(xué)家開始嘗試另一條路——為液態(tài)電解質(zhì)增加防火特性。NOHMs技術(shù)公司目前正從事著方面的研究，其CTO莫甘蒂(SuryaMoganty)表示，他們正在從“離子固體”中開發(fā)電解質(zhì)，這種物質(zhì)類似于鹽，但在室溫下呈液態(tài)。將這種材料加入電解液，會賦予它們難得的阻燃性能，弊端是，電池壽命會打折。NOHMs公司試圖通過改進配方，使電池壽命達到500個充放電周期。
與此同時，該公司研究人員還在去年發(fā)明了一種水基電池。這種電池不僅安全，且效率超高，充電功率可以達到4伏特，已經(jīng)達到部分傳統(tǒng)電解質(zhì)的標準，但它面臨和“離子固體”電池同樣的壽命問題。在實驗室中，其最長壽命只有70個充放電周期，離商業(yè)化應(yīng)用需要的500個周期差得很遠。
麥克倫尼總結(jié)道，在目前一種聽起來讓人熱血沸騰的技術(shù)中，沒有一種技術(shù)可以取代現(xiàn)有的鋰離子電池。
現(xiàn)在，解決電池安全問題最高效的方法，可能不是對電池技術(shù)和材料做出大改，而是對現(xiàn)有特性做一些微調(diào)，例如從軟件層面優(yōu)化設(shè)備的電池管理系統(tǒng)。畢竟，管理系統(tǒng)已經(jīng)是每個電池必備部分，制造商不需要通過昂貴的創(chuàng)新方式來整合一項新技術(shù)。麥克倫尼說:“制造商可以配備先進的傳感器收集電池數(shù)據(jù)，探查到電池問題，針對性維護，有助于延長電池的壽命?！?/p>
此外，圣地亞哥的電池安全公司Amionx還在研究一種新方法。公司CEO戴維森(BillDavidson)表示，他們推出了一種名為SafeCore的物質(zhì)，或者說是機制。SafeCore不會改變電池本身的組件，而是在電池內(nèi)添加一層額外的物質(zhì)，可以在火災(zāi)出現(xiàn)苗頭將其掐滅。具體而言，當(dāng)電池出現(xiàn)過熱或電壓過高的問題時，該機制會被觸發(fā)，從而斷開電極和電池之間的連接，將整個電池“關(guān)機”。
與業(yè)內(nèi)其他技術(shù)公司一樣，Amionx希望和現(xiàn)有電池制造商合作，自己僅提供技術(shù)，不投入大成本生產(chǎn)。但如果制造工藝進步太慢，他們會考慮建立自己的電池廠。戴維森寶石:“如果2019年我沒有在市場上看到這款產(chǎn)品，我會很失望。”
回到電池安全問題本身。盡管像三星Note7那樣的電池爆炸事件備受矚目，但從更長的時間跨度來看，現(xiàn)在的電池已經(jīng)比過去安全許多。不過，新的挑戰(zhàn)也將隨著電動汽車的時代到來。對充放電速度、能量密度的高要求，在同等技術(shù)下，必然意味著更高的起火風(fēng)險。在之前特斯拉2次自動駕駛事故中，電池都在碰撞后起火，引發(fā)了人們擔(dān)憂。
在麥克倫尼看來，如果電池公司能做一些漸進式的改進，而不是急功近利地找出一勞永逸的解決方案，結(jié)果也許更好。他認為，預(yù)期大力投入新材料研發(fā)，不如研究更薄的隔離膜，以提高能源和動力密度，這樣，他們研發(fā)電池的程序更具可持續(xù)性。對單個組件進行增強，可以獲得公司可以繼續(xù)構(gòu)建的更可持續(xù)的設(shè)計。
