從微觀看鋰離子電池的脹氣/高溫/爆炸

鋰離子電池的充放電是一個化學反應過程，在平靜的表面下，鋰離子在正負極間來回奔走。鋰離子電池充電時，正極的鋰原子會喪失電子，氧化為鋰離子，鋰離子經由電解液進入負極，并獲得一個電子，還原為鋰原子。放電時，過程則相反。此外，為了防止電池的正負極直接碰觸而短路，電池采用有細孔的隔膜，將正負極隔離。

鋰離子電池的脹氣、高溫、爆炸等問題，通常與過充、過放以及大電流有關，三者會對電池造成損害。當過充發生時，正極材料內剩下的鋰原子數量過少，導致電池容量形成永久性下降。在負極端，鋰原子飽和之后，再充電會使鋰金屬堆積在負極材料表面，形成樹枝狀結晶。久之，鋰枝晶會穿破隔膜，造成正負極短路。過充時，電解液等材料往往會裂解出現氣體，造成電池外殼或壓力閥鼓脹破裂，氧氣堆積在負極表面的鋰原子反應，導致爆炸。同樣，過放時，也會對材料造成損害。

此外，電流過大時，鋰離子來不及進入材料內部，會聚集在材料表面，這些鋰離子獲得電子后，會在材料表面出現鋰原子結晶，由于鋰是化學周期表上最活潑的金屬，鋰原子易與氧氣發生氧化反應而爆炸。

新型耐高溫隔膜有望商業化

電池隔膜重要的功能是分隔鋰離子電池中的正負極板，防止正負極板直接接觸出現短路，因此，隔膜的性能對鋰離子電池安全有較大影響。一般而言，考察隔膜性能的參數有如下幾點：1.厚度2.透氣率3.浸潤度4.化學穩定性5.孔徑及分布6.穿刺強度7.熱穩定性8.閉孔溫度、破膜溫度9.孔隙率。業內對隔膜的研究，也多從這些方面去提高。

目前，市場上大規模應用的鋰離子電池隔膜重要是聚烯烴類有機隔膜，這種隔膜生產成本低、力學性能和電化學穩定性均較好，但孔隙率偏低，對電解液的潤濕性和熱穩定性都較差，可能導致電池短路，嚴重時可引發火災或爆炸等事故。

不久前，我國科學院上海硅酸鹽研究所研究員朱英杰帶領的團隊，與華中科技大學教授胡先羅帶領的團隊合作，在此前羥基磷灰石超長納米線新型無機耐火紙的研究工作基礎上，研發出一種新型羥基磷灰石超長納米線基耐高溫鋰離子電池隔膜。據電池我國網了解，該電池隔膜熱穩定性高、耐高溫、阻燃耐火，在700℃的高溫下仍可保持其結構完整性，在150℃高溫環境中能夠保持正常工作狀態。

日本三菱制紙株式會社則以無紡布為原料，開發新的隔膜，將陶瓷粒子涂敷在聚酯纖維構成的無紡布隔膜上，以增強電池隔膜的耐高溫性能，其可耐三倍高溫(達到470℃)。2018年，預計在日本高砂廠投入近30億日幣設備，年生產量力增至3300萬平方米。

正是由于隔膜對解決鋰離子電池爆炸問題所起的關鍵用途，西南石油大學材料工程與科學學院的一個項目團隊也從隔膜的材料入手，研發出天然木質纖維素鋰離子電池隔膜，經過性能測試，與世界上先進的隔膜產品相比，天然木質纖維素鋰離子電池隔膜具有綠色環保、高效安全、工藝簡便、成本低廉的優勢。該項目團隊負責人介紹，采用這種新材料，每張手機鋰離子電池的隔膜生產成本只要一毛錢。

新研發的隔膜產品，只有實現商業化生產，研發工作才能實現最大價值。我國科學院上海硅酸鹽研究所研發的新型羥基磷灰石超長納米線基耐高溫電池隔膜，還有望應用于鈉離子電池、超級電容器等多種類型的耐高溫電池和儲能體系中。相關研究結果發表在《先進材料》上，并申請一項發明專利，但目前還沒有量產的相關消息。日本三菱制紙株式會社開發的無紡布隔膜預計2018年量產，據了解，西南石油大學研發的天然木質纖維素鋰離子電池隔膜也在尋求商業化合作。