元宇宙要火，但可不能“起火”哦！--了解一下村田半固态凝胶软包电池-电子发烧友网

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让我们再次感受到了微软的“壕”气

巨额收购的背后，是微软全力进军元宇宙生态的强烈愿景，并且将本就在风口浪尖上的“元宇宙”推向了更高的境界。

元宇宙的“入口”——VR眼镜

在先进的显示/音频/动态感知技术的加持下，玩家们使用VR产品时可以更加地沉浸于“元宇宙”世界中，获得更美妙的游玩体验。

但是这也带来了一些问题：

当玩家的视觉/听觉等知觉都沉浸于虚拟世界时，毫无疑问会大幅降低对周遭环境变化的感知和反应能力。因此在使用包括VR眼镜等虚拟现实设备时，需要确保使用过程中的安全性，其中最基础的是【设备本身需要提高其安全性】。特别是VR设备作为头戴设备，一旦VR设备出现危害人体安全的事故，会直接威胁到人体的重要器官如眼睛和耳朵，甚至有可能影响到脑部。

在各家VR产品厂家的设计方案中，大多数VR眼镜多是内置锂电池的无线设备。而锂电池恰恰是VR设备自身安全性的最大短板。

锂电池是VR设备自身安全性的最大短板

为什么锂电池会自燃起火？

我们在中学阶段的化学课上有学过“燃烧三要素的概念”：

当“助燃剂”，“高温”和“可燃物”这三者齐聚一堂时，“可燃物”就会发生燃烧的现象。

接下来我们来看看锂电池是如何“自带”这三种要素的：

1. 可燃物
除去电池的外壳（钢壳或者铝塑膜），电池内部主要有正极材料（涂敷在铝箔上），负极材料（涂敷在铜箔上），隔膜和电解液组成。隔膜夹在正极和负极之间组成三明治结构，再将“三明治”或卷绕或叠层出我们熟悉的圆柱或者方型电池的形状，最后再将电解液注入其中，即完成了电池的基本组装。

而其中，电解液的主体部分是有机溶剂，是可燃物质，常用的溶剂有碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯脂(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)等。这些物质的燃点普遍较低，碳酸二甲酯(DMC)大约在180度，而碳酸二乙酯(DEC)和碳酸甲乙酯(EMC)的燃点只有100度左右。

2. 高温
锂电池的工作过程可以简单理解为锂离子在正极和负极材料之间的“反复横跳”。

放电的时候，锂离子从负极材料中脱嵌，通过隔膜的微孔，嵌入正极材料中。充电的时候则相反，锂离子从正极材料中脱嵌后再嵌入负极材料。

但是正负极材料吸收锂离子的能力是有极限的，过大的量或者过快的速度等，当超过材料的极限吸纳能力后（或者低温等弱化了材料的吸纳能力），锂离子就会在材料表面大量堆积且自我结晶化，长出如树枝一般的锂枝晶。而这种锂枝晶不断生长后会刺穿隔膜，最终接触到另一端电极从而造成内短路释放大量热量，产生高温。

3. 助燃剂（氧气）

目前主流的锂电池正极材料里，绝大多数都是金属氧化物材料，例如三元镍钴锰LiNixCoyMn1-x-yO2或钴酸锂LiCoO2。其优点是可以吸纳更多锂离子，释放更多电能，但缺点是不耐高温。高温下这些正极材料会分解，氧原子会从原先的化学结构后脱出，之后在电池密闭的空间内结合生成氧气，即析氧。

所以你看，锂电池几乎是自带燃烧三要素。

首先是电池过度使用或者材料衰减后，材料表面开始形成锂枝晶。锂枝晶生长到刺穿隔膜后导致正负极内短路，产生高温。高温下正极材料开始析出氧气。这样“短路造成的高温”+“正极产生的氧气”+“低燃点的电解液有机溶剂”=锂电池自燃。

我们再从自燃的结果去倒推自燃发生的原因：

1. 自燃的发生需要集齐燃烧三要素。

2. 三要素中，氧气也是由高温引发的。

3. 高温的主要来源是电池内短路。

4. 内短路的主要来源是锂枝晶。

所以，如果我们可以有效地抑制锂枝晶的话，就可以从根源上避免锂电池自燃。

找到锂电池的安全病根，对症下药！
——村田电池的半固体凝胶电解质技术

锂枝晶之所以可以生长并刺穿隔膜，主要问题还是在于电解液是“液体“，锂枝晶可以在”柔软“的液体环境中自由生长。

那么如果不用液体呢？村田电池的工程师们从这个视角，开发出了基于半固体凝胶电解质的凝胶锂电池。

半固体的凝胶电解质为锂电池带了多项好处：

1. 锂离子在半固体凝胶电解质环境中，很难有效地形成树杈状锂枝晶。

2. 村田电池的半固体凝胶电解质本身具有较强的缓震能力，可以吸收电池在使用过程中受到的震动。并且半固体也赋予了凝胶电解质较强的机械强度，当电池受到外力冲击时，可以有效保护电池内部的电极/隔膜的三明治结构，提高电池的耐用性和抗冲击能力。例如常见的手机跌落问题，村田凝胶软包电池可以承受上百次的手机跌落测试，是传统液系软包的数倍。（仅供参考）