锂电池设计与结构诱发的安全问题

这些年，锂离子电池着火之类的安全问题时有发生，像笔记本电脑被烧毁，手机自燃甚至是爆炸，纯电动汽车自燃起火等等案例着实不少。2016 年，三星的Galaxy Note 7智能手机着火爆炸，导致50亿美元的召回，随后该机型停产，此举使三星的市值减少了数十亿美元。汽车方面，特斯拉和蔚来汽车的自燃事件同样导致召回，去年特斯拉召回1.4万辆，蔚来汽车召回4803辆，损失都很惨重。

对于这些问题，三星曾宣布这是由于两个独立的设计问题造成了电池故障，然后导致过热造成的。而特斯拉也曾坦白，MODEL S的电池存在冷却装置设计不当的问题。稍有设计缺陷就会产生相同的灾难性结果，其实这凸显了当今锂离子电池固有的不稳定特性。可以说，任何安装锂离子电池的移动产品都不可能百分百安全，这是如今主流锂电池设计与结构决定的。

那么现有主流的锂电池设计与结构是怎么来的？

最早提出锂离子电池概念的，是上世纪七十年代在埃克森工作的M.S.Whittingham。他采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成了首个锂离子电池。自此锂离子电池技术开始发展。一直到在上世纪八九十年代，在锂离子电池的研发竞争中，日本索尼公司（Sony Corp.）于 1991年最先开发成功可商用的锂离子电池，赢得了这场战役。而驱动索尼公司决定投入大力将锂离子电池商业化的原因，主要是两点。一是它的手持式摄录机是当时索尼的主推产品（可以说这是后续即将出现的许多耗电便携式设备的先驱），它急需一种在非常紧凑局促空间容纳的超高容量电池。二是盒式录音带正在以光速让位于碟式光盘。

读者看到这里可能会质疑，后者貌似和锂电池没有丝毫联系，但实际上这两者对索尼公司来说紧密相关。当时索尼在盒式录音带方面有过多的资源亟待分配。盒式录音带在生产线上制造的方式是，首先用磁性浆料涂布塑料薄膜，然后将其干燥，切成长条，然后卷起来。但当时盒式录音带的销售已经越来越成问题，使得相应的生产与研发停滞。而当时新兴的光盘使用了非常不同的生产工艺，因此索尼突然发现自己拥有大量暂时无用的制造磁性录音带的设备以及运行这些设备的技术人员。

索尼电池部门的经理们意识到，他们可以通过使用相同的制造设备和人员将化学浆料涂覆到金属箔上，进行干燥并将其切成电极片，从而彻底解决设备和人员冗余问题。所以，为了充分利用现有设备，索尼设计了这样的结构：锂电池主要由阳极（Anode）（或正极）、阴极（Cathode）（或负极）、电解液（electrolyte）和隔膜（Separator）组成。在两个电极片中间夹以聚合物隔膜，该隔膜使离子（而不是电子）在电极之间流动，并且整个堆叠缠绕在一起。从此以后，锂离子电池制造商就一直使用这种结构到现在。

上图在本人文章 《新能源汽车利好-蓝光激光铜焊接》出现过，非常好的显示了现在主流的锂电池内部结构。

这种设计很聪明，利用了当时的一切冗余资源。但是从长远来看，如果谁想要在此基础上对技术进行改进却困难重重。

首先，这种设计浪费了空间。

在电池中，唯一存储能量的材料是构成阳极（负电极）和阴极（正电极）的颗粒。金属箔集电器，隔膜和包装材料以及空白空间通常至少占总体积的40％。将如此多的空间用于其他事情却不是存储能量，毫无疑问会降低电池的能量密度（瓦时/升（Wh / L））。

例如，用于移动设备的常规锂离子电池构造通常将电极片和隔膜缠绕在一起，然后将所得的螺旋弄平，以装入细长的金属盒或塑料袋中。此过程在开始和结束时需要一定长度的毛坯（即未涂覆的）集电器和隔膜，该毛坯会占用体积，但不会存储能量。单元格的中央和单元格的两侧也可能留有空余空间。

聚合物隔膜是一种惰性材料，在物理上必须比电极长和宽，以确保电极边缘不会相互接触。增加能量密度的一种方法是使隔膜变薄。但是如果太薄，则电池容易短路。

在这里值得强调的，就是三星 Note 7 的爆炸事件基本能判断就是由于隔膜太薄造成的。研究发现，手机厂商为 了提升电池的体积能量密度、延长手机电池续航能力，而采用了更薄的隔膜材 料，但是由于对隔膜材料质量控制不严或者工艺缺陷，导致隔膜局部变薄，不能有效隔离正极与负极，从而造成了电池的安全问题。由此许多人认为，Note 7 爆炸的根源，归根结底是因为三星为了提升续航能力，忽视了安全考量。但实际上，这个原因还是少算了一层，根源原因还是由于电池本质结构设计造成的，只要市场上存在增大电池能量的需求，没有三星，后面也会有别的公司发生这种事故。

索尼结构的另一个问题是在组装过程中会不可避免地引入的微观金属颗粒的存在，它们会积聚在电活性点上，从而造成严重的短路，在电极之间分流足够的电流从而急剧升高温度。然后就可能影响附近的区域，从而引发所谓的热失控，引起爆炸和火灾。完全消除金属微粒几乎是不可能的，因为它们是在生产和组装过程中由切割，轧制和缠绕机械产生的。

除此之外，充电过程也可能会出现问题。当锂离子从锂金属氧化物阴极流向石墨阳极时，通常锂离子会嵌入石墨晶格结构的间隙中，这一过程称为嵌入（intercalation）。但是高充电电流，局部缺乏活性阳极材料或较低的环境温度会导致锂离子镀在阳极表面上。然后，锂金属可能会堆积成称为树突的线状结构，随着电池的充电和放电而增长，最终刺穿隔板并形成短路，从而导致热失控。最后，如果锂离子电池温度过高，也可能会变得不稳定，从而导致热失控。

Anode：阳极/ Cathode：阴极

上图解释了何为热失控。这个过程为5步：1.热量产生；2.保护层破坏；3. 电解液分解成易燃气体；4.隔膜熔化，可能造成短路；5.阴极破坏，产生氧。

所以，传统的锂离子电池的结构采用磁录音磁带生产技术，使其易受热失控的影响，这可能导致爆炸或火灾造成灾难性的损害。也由于此，许多公司都在想尽办法研究颠覆这一设计的全新锂离子电池。

责任编辑：PSY