鉅大鋰電 | 點(diǎn)擊量：0次 | 2022年04月08日
鋰電池的安全性的因素
而考慮到現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ钪凶顬槌Ｒ?jiàn)的電池為鋰離子電池，我們?cè)谶@里將默認(rèn)把全固態(tài)鋰離子電池當(dāng)做全固態(tài)電池的代表（暫時(shí)忽略全固態(tài)鋰硫等新型電池）。
一般來(lái)說(shuō)，鋰離子電池重要由正極、負(fù)極、隔膜、電解液、結(jié)構(gòu)殼體等部分組成，其中電解液使得電流可以在電池內(nèi)部以離子形式傳導(dǎo)。
電解液技術(shù)是鋰離子電池的核心技術(shù)之一，也是現(xiàn)在電池工業(yè)中利潤(rùn)很高的一個(gè)組成部分。
但是很多讀者可能發(fā)現(xiàn)過(guò)自己的鋰離子電池用久后有的會(huì)鼓脹，而在更極端的小概率事件下，有的甚至?xí)l(fā)生危險(xiǎn)（比如近來(lái)的扭扭車(chē)的電池爆炸事件，導(dǎo)致了相關(guān)的生產(chǎn)公司和電池公司遇到了全面的困難）。
另外一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在的鋰離子電池的工作溫度范圍有限，在40度以上的高溫下壽命會(huì)急劇縮短，安全性能會(huì)也出現(xiàn)很大的問(wèn)題（所以特斯拉MODELS會(huì)有一套嚴(yán)格的電池溫控系統(tǒng)，就是為此）。
實(shí)際上，以上所說(shuō)的幾個(gè)安全方面的問(wèn)題都是與我們現(xiàn)在電池用的有機(jī)體系的電解液直接相關(guān)的。
而為了解決電池安全問(wèn)題，提高能量密度，目前科研界和工業(yè)界都在研發(fā)以及生產(chǎn)全固態(tài)電池，也就是把傳統(tǒng)的鋰離子電池的隔膜和電解液，換成固態(tài)的電解質(zhì)材料。
電極材料特性，比如在大電流下工作有可能出現(xiàn)鋰枝晶，從而刺破隔膜導(dǎo)致短路破壞；
電解液為有機(jī)液體，在高溫下發(fā)生副反應(yīng)、氧化分解、出現(xiàn)氣體、發(fā)生燃燒的傾向都會(huì)加劇；
電池質(zhì)量參差不齊，尤其是小廠家的電池安全性能不達(dá)標(biāo)；
電池管理系統(tǒng)不合格，造成電池的過(guò)充放，導(dǎo)致危險(xiǎn)的發(fā)生。
而假如采用了全固態(tài)電池技術(shù)，以上的1和2兩點(diǎn)問(wèn)題就可以直接得到解決，而且所得的電池的最高工作溫度可以從現(xiàn)在的40度提升到更高，這樣就可以使電池的適應(yīng)工作溫度區(qū)間更寬，應(yīng)用范圍也會(huì)更廣。
實(shí)際上，體積能量密度關(guān)于電池來(lái)說(shuō)是一個(gè)很重要的參數(shù)，假如就應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，要求從高到低是消費(fèi)電子產(chǎn)品》家用電動(dòng)汽車(chē)》電動(dòng)公交車(chē)。
假如通俗地講，就是體積能量密度高了，因此相同質(zhì)量的電池才能做的體積更小。
電子產(chǎn)品中的可用空間往往很有限，很多產(chǎn)品（例手機(jī)、平板電腦）有近1/3左右的體積和質(zhì)量已經(jīng)被電池占據(jù)，而且在廣大生產(chǎn)廠商和消費(fèi)者希望對(duì)電池進(jìn)一步提高容量（新增續(xù)航）和壓縮體積（便攜美觀和便于設(shè)計(jì)）的要求下，高壓實(shí)、體積能量密度最高的鈷酸鋰（LCO）電池依然是當(dāng)仁不讓的主流產(chǎn)品。
傳統(tǒng)鋰離子電池中，要使用隔膜和電解液，它們加起來(lái)占據(jù)了電池中近40%的體積和25%的質(zhì)量。
而假如把它們用固態(tài)電解質(zhì)取代（重要有有機(jī)和無(wú)機(jī)陶瓷材料兩個(gè)體系），正負(fù)極之間的距離（傳統(tǒng)上由隔膜電解液填充，現(xiàn)在由固態(tài)電解質(zhì)填充）可以縮短到甚至只有幾到十幾個(gè)微米，這樣電池的厚度就能大大地降低--因此全固態(tài)電池技術(shù)是電池小型化，薄膜化的必經(jīng)之路。
不僅如此，很多經(jīng)過(guò)物理/化學(xué)氣相沉積（PVD/CVD）制備的全固態(tài)電池，其整體厚度可能只有幾十個(gè)微米，因此就可以制成非常小的電源器件，整合到MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）領(lǐng)域中。
能夠制成體積非常小的電池也是全固態(tài)電池技術(shù)的一大特色，這可以方便電池適應(yīng)各種新型小尺寸智能電子設(shè)備的應(yīng)用，而在這一點(diǎn)上傳統(tǒng)的鋰離子電池的技術(shù)是很難達(dá)到的。
目前許多納米材料實(shí)用的一大關(guān)鍵障礙就在于比表面積大，體積密度過(guò)低，導(dǎo)致假如基于這些材料制成產(chǎn)品，往往相同質(zhì)量下占據(jù)體積過(guò)大，即體積能量密度偏低，完全無(wú)法滿足一般工業(yè)品的要求。
所以現(xiàn)在的納米（電池）材料科研中往往選擇了不報(bào)道這方面的參數(shù)，原因不難理解。
全固態(tài)電池可以經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化，變成柔性電池，從而帶來(lái)更多的功能和體驗(yàn)。
實(shí)際上，即使是脆性的陶瓷材料，在厚度薄到毫米級(jí)以下后經(jīng)常是可以彎曲的，材料會(huì)變得有柔性。
相應(yīng)的，全固態(tài)電池在輕薄化后柔性程度也會(huì)有明顯的提高，通過(guò)使用適當(dāng)?shù)姆庋b材料（不能是鋼性的外殼），制成的電池可以經(jīng)受幾百到幾千次的彎曲而保證性能基本不衰減。
實(shí)際上，以各種可穿戴設(shè)備為代表的柔性電子器件是下一代電子產(chǎn)品發(fā)展的重要方向，而這就要求該產(chǎn)品中的元件同樣要具有柔性，因此柔性全固態(tài)電池是科研與工業(yè)界中，非常有前景的明日之星。
不僅如此，功能化的全固態(tài)電池潛力遠(yuǎn)不只以上的柔性電池，經(jīng)過(guò)電池材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以制成透明電池，或者是拉伸幅度可達(dá)300%的可拉伸電池，或是可以和光伏器件集成化的發(fā)電-存儲(chǔ)一體化器件等等--全固態(tài)電池所意味的功能上的創(chuàng)新應(yīng)用前景還有很多，在這方面科研人員與工程師們的想像力會(huì)給我們帶來(lái)越來(lái)越多的驚喜。
鋰枝晶生成，出現(xiàn)內(nèi)短路，是電池失效的重要原因
作為一種能量存儲(chǔ)器件，實(shí)際上所有電池在熱力學(xué)實(shí)質(zhì)上都不可能是絕對(duì)安全的。
但是電池實(shí)際應(yīng)用中的決定其真正安全性的因素是多方面的，影響因素包括電池的電極材料特性、電解液的性質(zhì)，以及電子產(chǎn)品中的電池管理系統(tǒng)等。
目前一般商用的鋰離子的安全性是大家關(guān)心的重點(diǎn)，在這里用不夠理想來(lái)評(píng)價(jià)現(xiàn)在電池的安全性，應(yīng)該是一個(gè)比較合適的評(píng)價(jià)。
使用了全固態(tài)電解質(zhì)后，鋰離子電池的適用材料體系也會(huì)發(fā)生改變，其中核心的一點(diǎn)就是可以不必使用嵌鋰的石墨負(fù)極，而是直接使用金屬鋰來(lái)做負(fù)極，這樣可以明顯減輕負(fù)極材料的用量，使得整個(gè)電池的能量密度有明顯提高。
此外，許多新型高性能電極材料，可能之前與現(xiàn)有的電解液體系的兼容性并不好，但是在使用全固態(tài)電解質(zhì)后該問(wèn)題可以得到一定的緩解。
綜合考慮到以上兩大因素，全固態(tài)電池相比于一般鋰離子電池，能量密度可以有一個(gè)較大幅度的提升：現(xiàn)在許多實(shí)驗(yàn)室中，都已經(jīng)可以小規(guī)模批量試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態(tài)電池了（一般鋰離子電池是100-220Wh/kg）。
從能量密度的數(shù)據(jù)上看，或許全固態(tài)電池真的有希望讓我們的生活從一天一充升級(jí)到兩天一充。
