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充个电都能被炸死,锂离子电池还敢用吗?

去年,马来西亚一位CEO在手机充电时把手机放在了床头,因电池爆炸导致了死亡。

我们知道,现在的手机、电脑、汽车一般都用的锂离子电池。那么,锂离子电池的安全性真的成问题吗?还敢用吗?

不吹不黑,锂离子电池确实存在安全隐患,但它也确实是能为生活续航的好东西。

(不过充电时千万不要把手机放在床边啊)

充个电都能被炸死,锂离子电池还敢用吗?

文/张绍乙 王勇 解晶莹

作为储能的电池单元,不论是水溶液体系或非水溶液(有机)体系,能量的储存和释放(电池的充电和放电)都是通过电池内活性物质化学能和电能的相互转化来实现的。这些能量存储系统中,人们最熟悉的恐怕就是锂离子电池了。锂离子电池已经在世界范围内高度的产业化并得到了最为广泛的应用。从空间站到“蛟龙号”载人潜水器,从智能手机、移动基站到电动车乃至能源互联网中的电力储存,锂离子电池(系统)都起到了很好的动力源的作用。

锂离子电池技术的商业化最先源于索尼公司。20世纪90年代初,索尼公司采用锂过渡金属层状氧化物(LiCoO2)作为正极,炭材料作为负极,在此基础上开发出锂离子电池。电池充放电过程中,锂离子在正负极之间穿梭,因此锂离子电池又称为摇椅电池。

通过对锂离子电池的性能、安全以及成本等因素进行改进优化后,锂离子电池也被视为纯电动车、混合电动汽车以及插电式混合动力车等电动汽车中新一代动力系统的“潜力股”。如今,锂离子电池的研究主要有如下几个方向:一是通过材料以及设计的改善,使电池具有更高的比能量(即单位质量或体积的材料具有更高的容量)以及更长的循环寿命(对于电动车意味着同样的质量具有更长的续驶里程);二是对锂离子电池安全性的改善。近期的数次电动汽车起火或者自燃事件将锂离子电池技术一次又一次地推到了风口浪尖,因此,对于锂离子电池安全性的研究就成了一个迫在眉睫的热点问题。随着固态电解质材料的进步,科学家认为固态电解质锂离子电池能够在一定程度上解决锂离子电池的安全性问题。

变身“定时炸弹”?这要从结构说起

锂离子电池的负极

锂离子电池负极材料按其组分分类,可分为碳材料和非碳材料。石墨类碳材料包括天然石墨和人造石墨,它们具有良好的层状结构(层间距为0.3354纳米)。锂离子可从石墨的端面嵌入石墨层中,形成LiC6层间化合物;嵌锂之后,石墨的层间距离有所增加(LiC6层间距离为0.370纳米)。

锂离子电池在充放电过程中,负极进行锂离子的嵌入和脱出;因石墨表面存在较强的还原性能,在首次嵌入锂离子过程中,电解液会在石墨的表面形成一层固体电解质界面(SEI)膜,SEI膜的存在极大地减缓电解液在负极的还原,从而维持电池的电化学性能,介于该电解质界面膜的尺度为纳米级,因此膜的结构和状态对锂离子电池的性能有较大的影响。

锂离子电池的正极

锂离子电池过渡金属氧化物正极材料具有锂离子嵌入及脱出的一维、二维或三维通道,而本身的骨架结构在锂嵌入及脱嵌过程中保持不变。按目前使用的正极材料的结构划分,主要分为三类:层状结构、尖晶石结构、橄榄石结构。层状结构(LiCoO2、LiNiO2、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2、LiAl0.05Co0.15Ni0.8O2等)为二维的锂离子电池扩散通道;尖晶石型结构(LiMn2O4及高电压的锂镍锰氧化物)为三维扩散通道;橄榄石型结构(LiFePO4、LiMnPO4及其金属位掺杂材料等)为一维扩散通道。其中,克容量比较高的为富锂锰基正极材料和镍钴铝酸锂。不同正极材料也表现出不同的充放电特征。

锂离子电池的充放电原理

锂离子电池内部包含两个电极:正极和负极,提供了氧化还原反应发生的场所;电极由离子导通、电子绝缘的隔膜材料隔开;电解液包含锂盐(通常为LiPF6)和有机溶剂。放电过程中,锂在负极上失电子形成Li+,而Li+在正极上得电子形成锂,同时从锂离子过渡金属层状氧化物物中脱出,充电过程则相反,得/失的电子通过外电路进行传递即形成电流。

谁能替代“锂”

研究人员正试图寻找可替代锂的材料,以摆脱高性能电池对锂的依赖。这种材料应比锂更常见也更易获得,制造出的电池还应满足“充电15秒,通话一星期”。

尽管如同大海捞针,但是人们已有所收获。研究人员开始研制以镁离子替代锂离子实现电荷的存储与输运的镁离子电池原型。由于镁离子可携带两个电子,是锂离子携带电子的两倍,因此镁离子电池可以储存更多的电能。但是当镁离子与电子结合时,镁离子就拥有了两倍的负电荷,而负电荷量越多,吸引其他镁离子的能力也就越强。因此当镁离子携带着两倍的电荷,在充满电解液的两极之间运动时,速度自然慢了很多。这将直接影响电池充放电的时间,使镁离子电池的性能不尽如人意。这样,寻找既能发挥镁离子电池全部性能又利于镁离子定向移动的电解液-电极组合方式,成为当务之急。

相比锂,镁的开采成本较低,同时利用价值很大。丰田汽车公司目前已经在相关技术上投入了巨资,而埃隆·马斯克也曾多次在公开场合表示,特斯拉汽车公司及其超级电池工厂已经做好了拥抱镁离子电池的准备:从传统锂离子电池到镁离子电池的转型,电池生产工艺并不会受到太大影响,工厂只需要更新相应的流水线作业工具,即可轻松造出两倍能量密度的镁离子电池。


本文选自《科学画报》

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