锂离子电池的过去、现在和未来

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有时电池会爆炸。这段视频令人恐惧，但科学家和初创公司长期以来一直致力于制造更安全的电池。他们正在修改设计并测试新材料，希望一劳永逸地解决问题。但每种方法似乎都有一个陷阱，目前最实用的解决方案可能是最无聊的。

改进电池需要三个主要策略：固体电池避免使用易燃液体；使电池组件防火；并且，无聊的是，稍微修改电池的现有功能。至少对于电池来说，这种变化可能来得很慢。

要了解研究人员如何尝试解决该问题，了解电池工作原理及其故障原因的基础知识非常重要。需要明确的是，我们谈论的是锂​​离子电池，这是最常见的电池类型，因为锂具有如此多的能量。科学家们还在开发镁电池（速度慢）和硫电池（寿命不长），但目前锂离子电池仍然是王者。

锂离子电池由相对两侧的两个电极或电导体制成。锂离子在中间称为电解质的高度易燃化学物质的帮助下从一侧移动到另一侧。  

如果你一开始就尽量减少错误，你就不需要花哨的技术来拯救你

电池起火的原因有多种。最常见的是，热量过多或电池设计不良会使电解质发生反应，产生热量，然后形成不受控制的正反馈回路（称为“热失控”），从而导致火灾。电池制造商还在电池两侧之间放置了隔板，以防止它们接触。如果分离器发生故障（三星案例中发生的情况），能量就会被转移到电解质中，这也会导致火灾。

那么我们该如何解决这个问题呢？

一种大肆宣传的解决方案是固态电池。这个想法很简单：用固体材料制造电解质，而不是使用易燃液体电解质；固体电池不太可能起火。但离子在固体中移动比在液体中移动更困难，这意味着固态电池难以设计、价格昂贵，并且可能存在性能问题。

制造固态电池有三种主要方法。塔夫茨大学的材料科学家、固态电池公司Ionic Materials的创始人Michael Zimmerman解释说，你可以用陶瓷、玻璃或聚合物来制造电解质。

陶瓷和玻璃往往很脆，一旦施加压力就很容易破裂。（这个缺点对于每一个曾经打碎过餐具的人来说都是直观的。）齐默尔曼说，陶瓷和玻璃也更难大量制造，这使得它们不切实际，因为我们需要大量电池。另外，制造它们的过程有时会排放有毒气体。

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然后是聚合物。一些聚合物可以传导离子，但通常只能在极高的温度下起作用。齐默尔曼的团队开发了一种可以在室温下传导离子但也具有阻燃性的聚合物。在一段视频中，他们演示了如何将其切成碎片而不着火。

现在，离子材料公司正在与电池制造商合作，他们需要改变电池的制造方式以适应新的聚合物。齐默尔曼说，希望在未来两三年内能有可用的电池。

两三年听起来并不太遥远，但这也是老生常谈了。分析师伊恩·麦克伦尼 (Ian McClenny)表示：“在过去的四到五年里，人们一直承诺固态电池将在未来两到三年内进入市场，而投资者对固态电池的进展越来越不耐烦。”在 Navigant Research 工作，专门从事电池研究。

麦克伦尼采访过的几乎所有电动汽车制造商都表示，他们在固态技术方面取得了突破。（例如，汽车设计师亨里克·菲斯克（Henrik Fisker）最近也提出了同样的主张。）但麦克伦尼认为，几乎所有固态电池距离商业化还很远。“我认为固态电池要到 20 世纪 20 年代初或中期才会真正成为一种选择，因为电池的寿命还没有到来，”他说。推动电池创新的“面包和黄油”是电动汽车，目前大多数固态电池可能只能持续一年半。这对于手机来说可能是可以接受的，但对于昂贵的电动汽车来说几乎不可行。

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寻求更安全电池的另一种策略是使电解质本身防火，尽管仍然是液体。Surya Moganty 是NOHMs Technologies的首席技术官。他们正在用“离子固体”开发电解质，这种材料类似于盐，但在室温下呈液体。

将这种材料放入电解质中可以使其具有阻燃性，但同样可能会出现电池寿命问题。NOHMs 正在改进配方，以便采用其技术的电池可以持续长达 500 次循环，并与制造商合作以获得该技术的许可。类似的问题困扰着去年开发出水基电池的研究人员。这种电池是安全的。与其他功率较低的水基电池不同，它可以达到四伏，与有机电解质的电压相同。但它只能工作大约 70 个周期，正如 Moganty 指出的那样，电池公司希望电池能够持续至少 500 个周期。

麦克伦尼说，在这些听起来令人兴奋的技术中，似乎没有一项能够占据主导地位。这些改进即将到来，当它们实现时将会很棒。但尽管头条新闻令人窒息，但在不久的将来它不会发生。

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目前，最有效的策略可能不是来自重大改变和重新发明电池。它来自于查看现有功能并对其进行一些改进。例如，电池已经包含电池管理系统，这是一款监控电池运行情况并检测是否出现问题的软件。一项有用的解决办法是改进 BMS。毕竟，管理系统已经是每个电池的一部分，制造商不需要寻找创造性的、昂贵的方法来集成新技术。“公司可以使用先进的传感器或其他收集电池级数据的方式，特别是在大型装置的情况下，其中有数千个电池组成电池系统，”麦克伦尼说。“能够准确找出性能不符合标准的电池可以延长电池的使用寿命。”

这与总部位于圣地亚哥的电池安全公司Amionx采取的方法类似。（即“Am-ionics”。）Amionx 是从电池公司 American Lithium Energy 中分离出来的，其研究起源于试图为军队制造防火电池。

首席运营官比尔·戴维森 (Bill Davidson) 表示，他们的方法称为 SafeCore，是最后一道防线。SafeCore 不会改变电池本身的组件。它是电池内部的一层额外材料，可以在火灾发生之前阻止火灾。当由于过热或过高电压等因素触发时，该层会断开电极和电池中负责调节电流在设备中流动方式的部分之间的连接。这会完全关闭电池。

与其他公司一样，Amionx 专注于向现有电池制造商授权该技术。但如果事实证明这太慢了，他们就会考虑建造自己的电池并将其推向市场。“如果 2019 年我没有在市场上看到该产品，我会感到失望，”戴维森说。

尽管电池爆炸事件屡见不鲜（例如三星Galaxy Note 7手机的爆炸事件），但从统计数据来看，如今的电池比过去更安全。但现在的风险也比以往任何时候都更高。忘掉手机吧：电动汽车的兴起引起了每个人的兴趣——顺便说一句，它们的流行也意味着电动汽车电池火灾的增加。甚至有人谈论巨大的电池作为传统电网和可再生能源的备份。

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谈到安全性，最简单的解决办法不一定是技术性的，而是结构性的。专家表示，我们已经实现了锂离子电池理论上最大电池寿命的近 90%。我们通过让电池变得更快、更强大而制造了我们自己的问题。

麦克伦尼表示，如果公司进行渐进式改进，而不是寻求快速解决方案，例如使隔膜更薄以提高能量和功率密度，那么他们制造的电池可能会更具可持续性。增强各个组件可以带来更可持续的设计，公司可以继续在此基础上继续发展。 

如果你一开始就尽量减少错误，那么你就不需要技术来拯救你。

    上一篇我们送上的文章是 如果电池在太空中爆炸，NASA 已做好准备 ， _!在下一篇继续做详细介绍，如需了解更多，请持续关注。
本文由韩国SEBANG蓄电池（大陆地区）营销中心于2023-09-12 08:41:22 整理发布。
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