鉅大LARGE | 點擊量：866次 | 2019年05月14日
在電池安全問題上，人類科技可能遇到了一個瓶頸
自2017年三星推出“Boom7”以來，貼身數碼產品的電池安全問題突然成了消費者關注的重點。不少科學家和創業公司一頭扎進這個領域，試圖通過修改設計、推出新材料，一勞永逸地解決這個問題。然而，至今為止，所有的新路都是死路。在很長一段時間內，最實用的解決方案可能就是最無趣的那種。
按照主流思路，改進電池安全性主要從3個方面下手：減少固體電池中的易燃液體量;為電池裝上防火部件;或者微調一下電池的功能，避免過快地充放電。至少，以目前的技術前景來看，電池出現革命性變化的可能性不大。
要理解這個問題，首先要具備對電池工作原理以及電池損壞原理的基本知識。這里要補充一下，本文討論的主要是鋰離子電池。鋰離子電池能量密度高、充放電速度快，是目前最主流的電池類型。科學家們也在開發鎂電池(充放電慢)和硫電池(容量小)，但在短期內，鋰電池的地位無可替代。
先看原理：鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質的電池。在充放電時，正負極各自發生反應，鋰離子在高度易燃的電解質之中，從一極移動到另一極。
導致鋰離子電池起火的原因有很多，最常見是，在充放電過程中，糟糕的電池設計或電池自身產生了過多的熱量，超出了熱量控制范圍。電池制造商還在電池的兩側放置隔離膜以防止接觸。如果隔離膜出現問題，可能導致電池短接，從而導致過熱起火。據透露，三星“Boom7”其中一個批次的電池，就是因為錯誤的設計導致隔離膜破損，從而引發爆炸。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
知道問題，科學家就能對癥下藥，其中1種方法是采用固態電池，原因很簡單：既然電池中的液態電解質是起火的主要原因，那就不用它了，而固體基本不存在過熱起火的問題。不過，固態電池的缺點也很明顯——離子在固體中移動困難，這意味著固態電池更難設計、更貴，而且性能很難趕上液態電池。
從理論上說，制造固態電池的材料主要有3種。塔夫茨大學材料科學家、固態電池公司Ionicmaterials創始人齊默爾曼(MichaelZimmerman)表示，可以用陶瓷、玻璃或聚合物充當電解質。
問題是，陶瓷和玻璃很脆，稍稍施加壓力，它們就會破裂(畢竟對于許多電子產品，抗摔是個重要特性)。此外，齊默爾曼表示，相較一些化學制品，陶瓷和玻璃的生產工藝更復雜，生產成本高，因此，要將其大規模投入使用有點不切實際。與此同時，陶瓷和玻璃的制造過程有時會排放有毒氣體。
相較而言，固態聚合物也許是液態電解質的最佳替代品。目前，科學界已經研發出某些能傳導離子聚合物，但通常只能在極高的溫度下工作。而齊默爾曼的團隊開發了一種聚合物，可以在室溫下傳導離子，同時還具備阻燃劑。他們曾經發布一個視頻，當場切碎一塊聚合物，既沒有爆炸，也沒有著火，安全性很高。
根據齊默爾曼的說法，Ionicmaterials已經和制造商合作，研究聚合物電池的制造工藝，預計2-3年內就能投產。不過，消費者最好不要對“2-3年”抱太大期望，因為據咨詢公司NavigantResearch電池行業分析師麥克倫尼(IanMcClenny)所說，“在過去4到5年中，已經有多家公司承諾，會在2-3年內將固態電池投產”。
麥克倫尼表示，幾乎所有的電動汽車制造商都在固態技術方面取得了突破，但是幾乎沒有一種發展到商業化，甚至接近商業化的程度。他說:“我認為，在20世紀20年代早期或中期之前，固態電池都不會成為一種選擇，因為這種電池的壽命都不長。”
對電池創新需求最大的是電動汽車。然而，按照大多數固態電池一年半的壽命來看，對于手機等電子產品來說，可以接收，但是很難滿足電動汽車的需求。
因此，從短期看，固態電池革命并不現實，科學家開始嘗試另一條路——為液態電解質增加防火特性。NOHMs技術公司目前正從事著方面的研究，其CTO莫甘蒂(SuryaMoganty)表示，他們正在從“離子固體”中開發電解質，這種物質類似于鹽，但在室溫下呈液態。將這種材料加入電解液，會賦予它們難得的阻燃性能，弊端是，電池壽命會打折。NOHMs公司試圖通過改進配方，使電池壽命達到500個充放電周期。
與此同時，該公司研究人員還在去年發明了一種水基電池。這種電池不僅安全，且效率超高，充電功率可以達到4伏特，已經達到部分傳統電解質的標準，但它面臨和“離子固體”電池同樣的壽命問題。在實驗室中，其最長壽命只有70個充放電周期，離商業化應用需要的500個周期差得很遠。
麥克倫尼總結道，在目前一種聽起來讓人熱血沸騰的技術中，沒有一種技術可以取代現有的鋰離子電池。
現在，解決電池安全問題最高效的方法，可能不是對電池技術和材料做出大改，而是對現有特性做一些微調，例如從軟件層面優化設備的電池管理系統。畢竟，管理系統已經是每個電池必備部分，制造商不需要通過昂貴的創新方式來整合一項新技術。麥克倫尼說:“制造商可以配備先進的傳感器收集電池數據，探查到電池問題，針對性維護，有助于延長電池的壽命。”
此外，圣地亞哥的電池安全公司Amionx還在研究一種新方法。公司CEO戴維森(BillDavidson)表示，他們推出了一種名為SafeCore的物質，或者說是機制。SafeCore不會改變電池本身的組件，而是在電池內添加一層額外的物質，可以在火災出現苗頭將其掐滅。具體而言，當電池出現過熱或電壓過高的問題時，該機制會被觸發，從而斷開電極和電池之間的連接，將整個電池“關機”。
與業內其他技術公司一樣，Amionx希望和現有電池制造商合作，自己僅提供技術，不投入大成本生產。但如果制造工藝進步太慢，他們會考慮建立自己的電池廠。戴維森寶石:“如果2019年我沒有在市場上看到這款產品，我會很失望。”
回到電池安全問題本身。盡管像三星Note7那樣的電池爆炸事件備受矚目，但從更長的時間跨度來看，現在的電池已經比過去安全許多。不過，新的挑戰也將隨著電動汽車的時代到來。對充放電速度、能量密度的高要求，在同等技術下，必然意味著更高的起火風險。在之前特斯拉2次自動駕駛事故中，電池都在碰撞后起火，引發了人們擔憂。
在麥克倫尼看來，如果電池公司能做一些漸進式的改進，而不是急功近利地找出一勞永逸的解決方案，結果也許更好。他認為，預期大力投入新材料研發，不如研究更薄的隔離膜，以提高能源和動力密度，這樣，他們研發電池的程序更具可持續性。對單個組件進行增強，可以獲得公司可以繼續構建的更可持續的設計。
