鋰離子電池自問(wèn)世以來(lái)，獲得了快速發(fā)展，目前在新能源汽車和數(shù)碼電子產(chǎn)品中占據(jù)著絕對(duì)主導(dǎo)地位。隨著社會(huì)的發(fā)展，用戶對(duì)鋰離子電池的容量、充電速度、安全性能等方面也提出更高要求。鋰離子電池對(duì)溫度極其敏感，低溫會(huì)導(dǎo)致無(wú)法工作，高溫更是致命的傷害。此文要探討的即是鋰離子電池“高溫病”形成的原因、帶來(lái)的影響以及業(yè)界探索出的可能的解決方案。

鋰電“高溫病”救命藥方：新技術(shù)商業(yè)化是關(guān)鍵

從微觀看鋰電池的脹氣/高溫/爆炸

鋰離子電池的充放電是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，在平靜的表面下，鋰離子在正負(fù)極間來(lái)回奔走。鋰離子電池充電時(shí)，正極的鋰原子會(huì)喪失電子，氧化為鋰離子，鋰離子經(jīng)由電解液進(jìn)入負(fù)極，并獲得一個(gè)電子，還原為鋰原子。放電時(shí)，過(guò)程則相反。此外，為了防止電池的正負(fù)極直接碰觸而短路，電池采用有細(xì)孔的隔膜，將正負(fù)極隔離。

鋰電池的脹氣、高溫、爆炸等問(wèn)題，通常與過(guò)充、過(guò)放以及大電流有關(guān)，三者會(huì)對(duì)電池造成損害。當(dāng)過(guò)充發(fā)生時(shí)，正極材料內(nèi)剩下的鋰原子數(shù)量過(guò)少，導(dǎo)致電池容量形成永久性下降。在負(fù)極端，鋰原子飽和之后，再充電會(huì)使鋰金屬堆積在負(fù)極材料表面，形成樹(shù)枝狀結(jié)晶。久之，鋰枝晶會(huì)穿破隔膜，造成正負(fù)極短路。過(guò)充時(shí)，電解液等材料往往會(huì)裂解產(chǎn)生氣體，造成電池外殼或壓力閥鼓脹破裂，氧氣堆積在負(fù)極表面的鋰原子反應(yīng)，導(dǎo)致爆炸。同樣，過(guò)放時(shí)，也會(huì)對(duì)材料造成損害。

此外，電流過(guò)大時(shí)，鋰離子來(lái)不及進(jìn)入材料內(nèi)部，會(huì)聚集在材料表面，這些鋰離子獲得電子后，會(huì)在材料表面產(chǎn)生鋰原子結(jié)晶，由于鋰是化學(xué)周期表上最活潑的金屬，鋰原子易與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)而爆炸。

新型耐高溫隔膜有望商業(yè)化

電池隔膜主要的功能是分隔鋰電池中的正負(fù)極板，防止正負(fù)極板直接接觸產(chǎn)生短路，因此，隔膜的性能對(duì)鋰電池安全有較大影響。一般而言，考察隔膜性能的參數(shù)有如下幾點(diǎn)：1.厚度2.透氣率3.浸潤(rùn)度4.化學(xué)穩(wěn)定性5.孔徑及分布6.穿刺強(qiáng)度7.熱穩(wěn)定性8.閉孔溫度、破膜溫度9.孔隙率。業(yè)內(nèi)對(duì)隔膜的研究，也多從這些方面去提高。

目前，市場(chǎng)上大規(guī)模應(yīng)用的鋰離子電池隔膜主要是聚烯烴類有機(jī)隔膜，這種隔膜生產(chǎn)成本低、力學(xué)性能和電化學(xué)穩(wěn)定性均較好，但孔隙率偏低，對(duì)電解液的潤(rùn)濕性和熱穩(wěn)定性都較差，可能導(dǎo)致電池短路，嚴(yán)重時(shí)可引發(fā)火災(zāi)或爆炸等事故。

不久前，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員朱英杰帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，與華中科技大學(xué)教授胡先羅帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)合作，在此前羥基磷灰石超長(zhǎng)納米線新型無(wú)機(jī)耐火紙的研究工作基礎(chǔ)上，研發(fā)出一種新型羥基磷灰石超長(zhǎng)納米線基耐高溫鋰離子電池隔膜。據(jù)電池中國(guó)網(wǎng)了解，該電池隔膜熱穩(wěn)定性高、耐高溫、阻燃耐火，在700℃的高溫下仍可保持其結(jié)構(gòu)完整性，在150℃高溫環(huán)境中能夠保持正常工作狀態(tài)。

日本三菱制紙株式會(huì)社則以無(wú)紡布為原料，開(kāi)發(fā)新的隔膜，將陶瓷粒子涂敷在聚酯纖維構(gòu)成的無(wú)紡布隔膜上，以增強(qiáng)電池隔膜的耐高溫性能，其可耐三倍高溫(達(dá)到470℃)。2018年，預(yù)計(jì)在日本高砂工廠投入近30億日幣設(shè)備，年生產(chǎn)能力增至3300萬(wàn)平方米。

正是由于隔膜對(duì)解決鋰電池爆炸問(wèn)題所起的關(guān)鍵作用，西南石油大學(xué)材料工程與科學(xué)學(xué)院的一個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)也從隔膜的材料入手，研發(fā)出天然木質(zhì)纖維素鋰離子電池隔膜，經(jīng)過(guò)性能測(cè)試，與世界上先進(jìn)的隔膜產(chǎn)品相比，天然木質(zhì)纖維素鋰離子電池隔膜具有綠色環(huán)保、高效安全、工藝簡(jiǎn)便、成本低廉的優(yōu)勢(shì)。該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人介紹，采用這種新材料，每張手機(jī)鋰電池的隔膜生產(chǎn)成本只要一毛錢。

新研發(fā)的隔膜產(chǎn)品，只有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，研發(fā)工作才能實(shí)現(xiàn)最大價(jià)值。中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研發(fā)的新型羥基磷灰石超長(zhǎng)納米線基耐高溫電池隔膜，還有望應(yīng)用于鈉離子電池、超級(jí)電容器等多種類型的耐高溫電池和儲(chǔ)能體系中。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《先進(jìn)材料》上，并申請(qǐng)一項(xiàng)發(fā)明專利，但目前還沒(méi)有量產(chǎn)的相關(guān)消息。日本三菱制紙株式會(huì)社開(kāi)發(fā)的無(wú)紡布隔膜預(yù)計(jì)2018年量產(chǎn)，據(jù)了解，西南石油大學(xué)研發(fā)的天然木質(zhì)纖維素鋰離子電池隔膜也在尋求商業(yè)化合作。

電解液新技術(shù)為行業(yè)提供新思路

作為鋰離子遷移和電荷傳遞的介質(zhì)，電解液的數(shù)量對(duì)鋰離子電池的安全性能有著重大影響。如果電解液量過(guò)少，電池內(nèi)阻就會(huì)增大，易產(chǎn)熱，溫度升高，導(dǎo)致電解液迅速分解產(chǎn)氣，隔膜融化，造成電池脹氣、短路甚至爆炸。反過(guò)來(lái)，如果電解液量過(guò)多，充放電過(guò)程產(chǎn)生的氣體量大，電池內(nèi)部壓力大，易造成殼體破裂，導(dǎo)致電解液泄露。因此，鋰電池中加注的電解液數(shù)量需要準(zhǔn)確把握，過(guò)多或過(guò)少都會(huì)給電池帶來(lái)安全隱患。業(yè)內(nèi)很多研究機(jī)構(gòu)也在對(duì)電解液進(jìn)行改進(jìn)，以提高鋰電池的安全性能。

今年7月，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究部研究員張華民等人組成的團(tuán)隊(duì)，利用“低Ksp抑溶效應(yīng)”固定多硫化鋰和“界面聚合成膜效應(yīng)”保護(hù)金屬鋰，設(shè)計(jì)、制備出兼具高穩(wěn)定性、高安全性和高容量發(fā)揮的電解質(zhì)溶液，并實(shí)現(xiàn)了其在鋰硫電池器件中的應(yīng)用。采用該電解液組裝的4000mAh鋰硫電池器件，比功率達(dá)60W/kg，比能量達(dá)350Wh/kg，能穩(wěn)定循環(huán)30次以上，此技術(shù)有望使太陽(yáng)能無(wú)人飛機(jī)連續(xù)飛行1個(gè)月。該工作為鋰硫電池電解液材料的設(shè)計(jì)制備提供了新思路。

今年9月，美國(guó)華人科學(xué)家團(tuán)隊(duì)研制出一款基于水基電解液的新型鋰離子電池，不僅電壓首次達(dá)到筆記本電腦等家用電子產(chǎn)品所需的4V標(biāo)準(zhǔn)，且能完全避免現(xiàn)有商用鋰電池存在的著火和爆炸危險(xiǎn)。然而，新電池的材料成本還較高，只能充放電50次到100次，在市場(chǎng)上還不具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，新電池的電化學(xué)處理方法，對(duì)鈉離子電池、鋰硫電池、鋅鎂多離子電池等電池技術(shù)有積極的借鑒意義。

去年12月，華為中央研究院瓦特實(shí)驗(yàn)室宣布在鋰離子電池領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大研究突破，推出業(yè)界首個(gè)高溫長(zhǎng)壽命石墨烯基鋰離子電池。它的突破主要在三個(gè)方面，即：1.電解液中加入特殊添加劑，除去痕量水，避免電解液的高溫分解；2.電池正極選用改性的大單晶三元材料，提高材料的熱穩(wěn)定性；3.采用新型材料石墨烯，可實(shí)現(xiàn)鋰離子電池與環(huán)境間的高效散熱。華為解決電池高溫的角度是從電解液和電池材料入手來(lái)提高電池的散熱性，在這款電池中，石墨烯只用于散熱，實(shí)際上它的應(yīng)用本身沒(méi)有突破。

鋰電池新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，用戶最關(guān)心的是何時(shí)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，商業(yè)化了的技術(shù)才能造福于用戶，才能推動(dòng)鋰電池產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展。目前，新面世的隔膜技術(shù)和電解液技術(shù)層出不窮，然而能夠商業(yè)化者不多，從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)到應(yīng)用于消費(fèi)者的動(dòng)力電池上，還有很長(zhǎng)一段路要走。