蘋果三星們?cè)僖膊挥门?，防爆電池要來?/h1>
2018-02-08 21:32鄭晶敏
第一財(cái)經(jīng) 2018年5期
鄭晶敏
要說當(dāng)下智能手機(jī)廠商最頭疼的問題，除了功能和外觀上的革新遭遇瓶頸外，鋰電池的安全性也一定少不了。
2018年1月2日和1月10日，位于瑞士蘇黎世和西班牙瓦倫西亞的蘋果零售店就先后發(fā)生了iPhone手機(jī)電池爆炸事故，對(duì)于仍在經(jīng)歷“基于電池性能，舊手機(jī)運(yùn)行速度會(huì)放緩”指責(zé)的蘋果公司來說，這無疑是火上澆油。更不用說2016年三星Galaxy Note7在全球范圍內(nèi)發(fā)生的30多起爆炸和起火事故，這起“丑聞”讓三星在當(dāng)年遭受了巨大的經(jīng)濟(jì)和品牌形象損失，還不得不作出停產(chǎn)決定。
鋰離子電池因其良好的性能被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品生產(chǎn)中，但鋰金屬活潑的化學(xué)特性，使它同時(shí)也成為電子產(chǎn)品中最危險(xiǎn)的零件之一。三星Galaxy Note7的電池，就是因?yàn)樵谄潢枠O與陰極隔離膜局部變薄，并且絕緣膠帶未完全覆蓋極板涂層的情況下，出現(xiàn)了短路現(xiàn)象，導(dǎo)致電池異常發(fā)熱，極端情況下就會(huì)引起燃燒甚至爆炸。
現(xiàn)在，來自東京大學(xué)的研究員們嘗試在電池中添加一種含有阻燃劑—磷酸三甲酯的高濃度電解液來解決這個(gè)問題。
鋰離子電池一般由鋰合金金屬氧化物正極、石墨負(fù)極、非水電解液和隔離材料組成。在電解液中添加阻燃劑在技術(shù)上并不難實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，阻燃劑磷酸三甲酯是目前市場(chǎng)上最普遍使用的阻燃劑之一。但它有一個(gè)致命缺陷—影響電池性能。因此電池廠商往往對(duì)在電池中添加阻燃劑非常謹(jǐn)慎。
這也是長期困擾研究小組的難題?！白枞紕┖苋菀着c鋰電池正極發(fā)生反應(yīng)而分解，因此在電解液中加入少量阻燃劑就會(huì)大大降低電池的性能，尤其會(huì)縮短電池使用壽命?！眮碜詵|京大學(xué)Yamada Lab的研究員Atsuo Yamada對(duì)《第一財(cái)經(jīng)周刊》說。
不只東京大學(xué)，其實(shí)很多研究機(jī)構(gòu)都想到了使用阻燃劑，讓鋰電池變得更安全，他們也用了很多方法防止阻燃劑影響電池的性能。
比如美國加州大學(xué)圣迭戈分校的科研人員曾提出將阻燃劑包裹在膠囊中，再添加進(jìn)電解液，以避免其對(duì)電池性能產(chǎn)生影響。更早的2014年，馬里蘭大學(xué)的一支華人科學(xué)家團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種基于水基電解液的鋰離子電池。但這些研究都因存在缺陷而未能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化—用膠囊包裹的阻燃劑雖然對(duì)電池性能的副作用降低了，可同時(shí)會(huì)使阻燃效果大打折扣；水基電解液的方法則只能解決一時(shí)的問題，水分子一旦隨著溫度升高開始分解，就又會(huì)降低電池的性能。
“目前為止還沒有任何電解質(zhì)材料能完美達(dá)到既安全又不影響電池性能?！盇tsuo Yamada說，“即便是最安全的固體電解質(zhì)，也會(huì)受到電極和電解質(zhì)界面接觸的不良影響，并且面臨電解質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性差的問題，尤其是硫基固體電解質(zhì)，極易燃燒，在環(huán)境溫度下與水接觸時(shí)還會(huì)產(chǎn)生有毒的硫化氫氣體。”
此外，傳統(tǒng)的提高電池安全性能的方法還包括使用隔離材料，優(yōu)化電極材料?！暗@些都是間接方法，且需要反應(yīng)時(shí)間，對(duì)阻止爆炸幾乎是無效的?！盇tsuo Yamada說。
如何才能在不影響電池性能的前提下提高電池的安全性能？東京大學(xué)的研究人員給出的答案是，在電解液中添加高濃度的NaN（SO2F）2（NaFSA）或者LiN（SO2F）2（LiFSA）作為溶質(zhì)鹽。在這兩種化學(xué)物質(zhì)的作用下，電池負(fù)極上會(huì)形成一層無機(jī)鈍化層（鈍化就是使金屬表面轉(zhuǎn)化為不易被氧化的狀態(tài)，從而延緩金屬的腐蝕速度），起到提高鋰離子電池?zé)岱€(wěn)定性的作用。
普通的鋰離子電池也具備無機(jī)鈍化層，但傳統(tǒng)的鈍化層由有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)混合組成，穩(wěn)定性較差的有機(jī)物是影響電池?zé)岱€(wěn)定性的主要原因。當(dāng)電池溫度達(dá)到70攝氏度時(shí)，鈍化層便開始分解。失去這層保護(hù)膜之后，電解液便會(huì)和電池負(fù)極發(fā)生發(fā)應(yīng)。電池內(nèi)部材料分解時(shí)，升溫速度最高可達(dá)每分鐘200攝氏度，而隔離材料一般能承受的最高溫度為130攝氏度左右。失去這層安全屏障，爆炸就發(fā)生了。
經(jīng)過試驗(yàn)，研究員們發(fā)現(xiàn)，NaN（SO2F）2（NaFSA）和LiN（SO2F）2（LiFSA）的離子之間作用力弱—這意味著化學(xué)特性穩(wěn)定，并且在較高的濃度下依然能維持較高的離子導(dǎo)電率。更重要的是，這兩種物質(zhì)形成的無機(jī)鈍化層幾乎排除了有機(jī)物。再加上阻燃劑在高溫下產(chǎn)生的磷自由基，可以清除支持燃燒的活性氫和氧自由基，因此該電解液可以降低電池著火或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)?！巴耆懦兹加袡C(jī)溶劑使電解液不具備可燃性，這與通常在火災(zāi)事故中充當(dāng)燃料的商業(yè)電池的電解液完全不同。”Atsuo Yamada解釋說。
為了證明NaN（SO2F）2（NaFSA）和LiN（SO2F）2（LiFSA）的可靠性，研究小組通過多次測(cè)試證實(shí)了其穩(wěn)定性。試驗(yàn)顯示，同樣在150攝氏度的條件下，濃度為3.3M（M為濃度單位摩爾/升）的NaN（SO2F）2（NaFSA）溶液重量降低了1.2克，而同樣濃度的傳統(tǒng)電解液降低了35克重量。這說明高濃度電解液的穩(wěn)定性高出傳統(tǒng)電解液數(shù)十倍。
讓研究人員驚喜的是，這種穩(wěn)定的無機(jī)鈍化層非但未削弱電池性能，反而還在某些方面提高了性能。
首先是延長了電池使用壽命。高濃度電解液可實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定充電放電1000次以上，而傳統(tǒng)的鋰電池壽命通常在300至500次之間。此外，高濃度電解液還可以使鋰離子電池的工作電壓從當(dāng)前的3.7伏特提高到4.6伏特。這意味著將來應(yīng)用這種電解液的電池不僅能在手機(jī)等電子設(shè)備上使用，還能適應(yīng)對(duì)電池能量密度、安全性要求更高的電動(dòng)汽車。
但目前的研究成果還不足以支持這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用?！斑@項(xiàng)成果對(duì)商業(yè)電池來說成本過高了?！盇tsuo Yamada告訴《第一財(cái)經(jīng)周刊》。要想將這種高濃度電解液推向市場(chǎng)，接下來最關(guān)鍵的一步是研發(fā)出更成熟的工藝以方便量產(chǎn)。
“一旦實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，成本將大大降低?！盇tsuo Yamada說。而到了那一天，或許少了很多安全之憂的廠商，對(duì)于一直技術(shù)發(fā)展緩慢的鋰電池，才敢做出更多的激進(jìn)創(chuàng)新。
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鄭晶敏
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鋰離子電池因其良好的性能被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品生產(chǎn)中，但鋰金屬活潑的化學(xué)特性，使它同時(shí)也成為電子產(chǎn)品中最危險(xiǎn)的零件之一。三星Galaxy Note7的電池，就是因?yàn)樵谄潢枠O與陰極隔離膜局部變薄，并且絕緣膠帶未完全覆蓋極板涂層的情況下，出現(xiàn)了短路現(xiàn)象，導(dǎo)致電池異常發(fā)熱，極端情況下就會(huì)引起燃燒甚至爆炸。
現(xiàn)在，來自東京大學(xué)的研究員們嘗試在電池中添加一種含有阻燃劑—磷酸三甲酯的高濃度電解液來解決這個(gè)問題。
鋰離子電池一般由鋰合金金屬氧化物正極、石墨負(fù)極、非水電解液和隔離材料組成。在電解液中添加阻燃劑在技術(shù)上并不難實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，阻燃劑磷酸三甲酯是目前市場(chǎng)上最普遍使用的阻燃劑之一。但它有一個(gè)致命缺陷—影響電池性能。因此電池廠商往往對(duì)在電池中添加阻燃劑非常謹(jǐn)慎。
這也是長期困擾研究小組的難題?！白枞紕┖苋菀着c鋰電池正極發(fā)生反應(yīng)而分解，因此在電解液中加入少量阻燃劑就會(huì)大大降低電池的性能，尤其會(huì)縮短電池使用壽命?！眮碜詵|京大學(xué)Yamada Lab的研究員Atsuo Yamada對(duì)《第一財(cái)經(jīng)周刊》說。
不只東京大學(xué)，其實(shí)很多研究機(jī)構(gòu)都想到了使用阻燃劑，讓鋰電池變得更安全，他們也用了很多方法防止阻燃劑影響電池的性能。
比如美國加州大學(xué)圣迭戈分校的科研人員曾提出將阻燃劑包裹在膠囊中，再添加進(jìn)電解液，以避免其對(duì)電池性能產(chǎn)生影響。更早的2014年，馬里蘭大學(xué)的一支華人科學(xué)家團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種基于水基電解液的鋰離子電池。但這些研究都因存在缺陷而未能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化—用膠囊包裹的阻燃劑雖然對(duì)電池性能的副作用降低了，可同時(shí)會(huì)使阻燃效果大打折扣；水基電解液的方法則只能解決一時(shí)的問題，水分子一旦隨著溫度升高開始分解，就又會(huì)降低電池的性能。
“目前為止還沒有任何電解質(zhì)材料能完美達(dá)到既安全又不影響電池性能?！盇tsuo Yamada說，“即便是最安全的固體電解質(zhì)，也會(huì)受到電極和電解質(zhì)界面接觸的不良影響，并且面臨電解質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性差的問題，尤其是硫基固體電解質(zhì)，極易燃燒，在環(huán)境溫度下與水接觸時(shí)還會(huì)產(chǎn)生有毒的硫化氫氣體。”
此外，傳統(tǒng)的提高電池安全性能的方法還包括使用隔離材料，優(yōu)化電極材料?！暗@些都是間接方法，且需要反應(yīng)時(shí)間，對(duì)阻止爆炸幾乎是無效的?！盇tsuo Yamada說。
如何才能在不影響電池性能的前提下提高電池的安全性能？東京大學(xué)的研究人員給出的答案是，在電解液中添加高濃度的NaN（SO2F）2（NaFSA）或者LiN（SO2F）2（LiFSA）作為溶質(zhì)鹽。在這兩種化學(xué)物質(zhì)的作用下，電池負(fù)極上會(huì)形成一層無機(jī)鈍化層（鈍化就是使金屬表面轉(zhuǎn)化為不易被氧化的狀態(tài)，從而延緩金屬的腐蝕速度），起到提高鋰離子電池?zé)岱€(wěn)定性的作用。
普通的鋰離子電池也具備無機(jī)鈍化層，但傳統(tǒng)的鈍化層由有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)混合組成，穩(wěn)定性較差的有機(jī)物是影響電池?zé)岱€(wěn)定性的主要原因。當(dāng)電池溫度達(dá)到70攝氏度時(shí)，鈍化層便開始分解。失去這層保護(hù)膜之后，電解液便會(huì)和電池負(fù)極發(fā)生發(fā)應(yīng)。電池內(nèi)部材料分解時(shí)，升溫速度最高可達(dá)每分鐘200攝氏度，而隔離材料一般能承受的最高溫度為130攝氏度左右。失去這層安全屏障，爆炸就發(fā)生了。
經(jīng)過試驗(yàn)，研究員們發(fā)現(xiàn)，NaN（SO2F）2（NaFSA）和LiN（SO2F）2（LiFSA）的離子之間作用力弱—這意味著化學(xué)特性穩(wěn)定，并且在較高的濃度下依然能維持較高的離子導(dǎo)電率。更重要的是，這兩種物質(zhì)形成的無機(jī)鈍化層幾乎排除了有機(jī)物。再加上阻燃劑在高溫下產(chǎn)生的磷自由基，可以清除支持燃燒的活性氫和氧自由基，因此該電解液可以降低電池著火或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)?！巴耆懦兹加袡C(jī)溶劑使電解液不具備可燃性，這與通常在火災(zāi)事故中充當(dāng)燃料的商業(yè)電池的電解液完全不同。”Atsuo Yamada解釋說。
為了證明NaN（SO2F）2（NaFSA）和LiN（SO2F）2（LiFSA）的可靠性，研究小組通過多次測(cè)試證實(shí)了其穩(wěn)定性。試驗(yàn)顯示，同樣在150攝氏度的條件下，濃度為3.3M（M為濃度單位摩爾/升）的NaN（SO2F）2（NaFSA）溶液重量降低了1.2克，而同樣濃度的傳統(tǒng)電解液降低了35克重量。這說明高濃度電解液的穩(wěn)定性高出傳統(tǒng)電解液數(shù)十倍。
讓研究人員驚喜的是，這種穩(wěn)定的無機(jī)鈍化層非但未削弱電池性能，反而還在某些方面提高了性能。
首先是延長了電池使用壽命。高濃度電解液可實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定充電放電1000次以上，而傳統(tǒng)的鋰電池壽命通常在300至500次之間。此外，高濃度電解液還可以使鋰離子電池的工作電壓從當(dāng)前的3.7伏特提高到4.6伏特。這意味著將來應(yīng)用這種電解液的電池不僅能在手機(jī)等電子設(shè)備上使用，還能適應(yīng)對(duì)電池能量密度、安全性要求更高的電動(dòng)汽車。
但目前的研究成果還不足以支持這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用?！斑@項(xiàng)成果對(duì)商業(yè)電池來說成本過高了?！盇tsuo Yamada告訴《第一財(cái)經(jīng)周刊》。要想將這種高濃度電解液推向市場(chǎng)，接下來最關(guān)鍵的一步是研發(fā)出更成熟的工藝以方便量產(chǎn)。
“一旦實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，成本將大大降低?！盇tsuo Yamada說。而到了那一天，或許少了很多安全之憂的廠商，對(duì)于一直技術(shù)發(fā)展緩慢的鋰電池，才敢做出更多的激進(jìn)創(chuàng)新。
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