這些年，鋰離子電池著火之類的安全問題時有發(fā)生，像筆記本電腦被燒毀，手機自燃甚至是爆炸，純電動汽車自燃起火等等案例著實不少。2016 年，三星的Galaxy Note 7智能手機著火爆炸，導(dǎo)致50億美元的召回，隨后該機型停產(chǎn)，此舉使三星的市值減少了數(shù)十億美元。汽車方面，特斯拉和蔚來汽車的自燃事件同樣導(dǎo)致召回，去年特斯拉召回1.4萬輛，蔚來汽車召回4803輛，損失都很慘重。

對于這些問題，三星曾宣布這是由于兩個獨立的設(shè)計問題造成了電池故障，然后導(dǎo)致過熱造成的。而特斯拉也曾坦白，MODEL S的電池存在冷卻裝置設(shè)計不當(dāng)?shù)膯栴}。稍有設(shè)計缺陷就會產(chǎn)生相同的災(zāi)難性結(jié)果，其實這凸顯了當(dāng)今鋰離子電池固有的不穩(wěn)定特性。可以說，任何安裝鋰離子電池的移動產(chǎn)品都不可能百分百安全，這是如今主流鋰電池設(shè)計與結(jié)構(gòu)決定的。

那么現(xiàn)有主流的鋰電池設(shè)計與結(jié)構(gòu)是怎么來的？

最早提出鋰離子電池概念的，是上世紀(jì)七十年代在埃克森工作的M.S.Whittingham。他采用硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，制成了首個鋰離子電池。自此鋰離子電池技術(shù)開始發(fā)展。一直到在上世紀(jì)八九十年代，在鋰離子電池的研發(fā)競爭中，日本索尼公司（Sony Corp.）于 1991年最先開發(fā)成功可商用的鋰離子電池，贏得了這場戰(zhàn)役。而驅(qū)動索尼公司決定投入大力將鋰離子電池商業(yè)化的原因，主要是兩點。一是它的手持式攝錄機是當(dāng)時索尼的主推產(chǎn)品（可以說這是后續(xù)即將出現(xiàn)的許多耗電便攜式設(shè)備的先驅(qū)），它急需一種在非常緊湊局促空間容納的超高容量電池。二是盒式錄音帶正在以光速讓位于碟式光盤。

讀者看到這里可能會質(zhì)疑，后者貌似和鋰電池沒有絲毫聯(lián)系，但實際上這兩者對索尼公司來說緊密相關(guān)。當(dāng)時索尼在盒式錄音帶方面有過多的資源亟待分配。盒式錄音帶在生產(chǎn)線上制造的方式是，首先用磁性漿料涂布塑料薄膜，然后將其干燥，切成長條，然后卷起來。但當(dāng)時盒式錄音帶的銷售已經(jīng)越來越成問題，使得相應(yīng)的生產(chǎn)與研發(fā)停滯。而當(dāng)時新興的光盤使用了非常不同的生產(chǎn)工藝，因此索尼突然發(fā)現(xiàn)自己擁有大量暫時無用的制造磁性錄音帶的設(shè)備以及運行這些設(shè)備的技術(shù)人員。

索尼電池部門的經(jīng)理們意識到，他們可以通過使用相同的制造設(shè)備和人員將化學(xué)漿料涂覆到金屬箔上，進行干燥并將其切成電極片，從而徹底解決設(shè)備和人員冗余問題。所以，為了充分利用現(xiàn)有設(shè)備，索尼設(shè)計了這樣的結(jié)構(gòu)：鋰電池主要由陽極（Anode）（或正極）、陰極（Cathode）（或負極）、電解液（electrolyte）和隔膜（Separator）組成。在兩個電極片中間夾以聚合物隔膜，該隔膜使離子（而不是電子）在電極之間流動，并且整個堆疊纏繞在一起。從此以后，鋰離子電池制造商就一直使用這種結(jié)構(gòu)到現(xiàn)在。

上圖在本人文章 《新能源汽車?yán)?藍光激光銅焊接》出現(xiàn)過，非常好的顯示了現(xiàn)在主流的鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

這種設(shè)計很聰明，利用了當(dāng)時的一切冗余資源。但是從長遠來看，如果誰想要在此基礎(chǔ)上對技術(shù)進行改進卻困難重重。

首先，這種設(shè)計浪費了空間。

在電池中，唯一存儲能量的材料是構(gòu)成陽極（負電極）和陰極（正電極）的顆粒。金屬箔集電器，隔膜和包裝材料以及空白空間通常至少占總體積的40％。將如此多的空間用于其他事情卻不是存儲能量，毫無疑問會降低電池的能量密度（瓦時/升（Wh / L））。

例如，用于移動設(shè)備的常規(guī)鋰離子電池構(gòu)造通常將電極片和隔膜纏繞在一起，然后將所得的螺旋弄平，以裝入細長的金屬盒或塑料袋中。此過程在開始和結(jié)束時需要一定長度的毛坯（即未涂覆的）集電器和隔膜，該毛坯會占用體積，但不會存儲能量。單元格的中央和單元格的兩側(cè)也可能留有空余空間。

聚合物隔膜是一種惰性材料，在物理上必須比電極長和寬，以確保電極邊緣不會相互接觸。增加能量密度的一種方法是使隔膜變薄。但是如果太薄，則電池容易短路。

在這里值得強調(diào)的，就是三星 Note 7 的爆炸事件基本能判斷就是由于隔膜太薄造成的。研究發(fā)現(xiàn)，手機廠商為 了提升電池的體積能量密度、延長手機電池續(xù)航能力，而采用了更薄的隔膜材 料，但是由于對隔膜材料質(zhì)量控制不嚴(yán)或者工藝缺陷，導(dǎo)致隔膜局部變薄，不能有效隔離正極與負極，從而造成了電池的安全問題。由此許多人認為，Note 7 爆炸的根源，歸根結(jié)底是因為三星為了提升續(xù)航能力，忽視了安全考量。但實際上，這個原因還是少算了一層，根源原因還是由于電池本質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計造成的，只要市場上存在增大電池能量的需求，沒有三星，后面也會有別的公司發(fā)生這種事故。

索尼結(jié)構(gòu)的另一個問題是在組裝過程中會不可避免地引入的微觀金屬顆粒的存在，它們會積聚在電活性點上，從而造成嚴(yán)重的短路，在電極之間分流足夠的電流從而急劇升高溫度。然后就可能影響附近的區(qū)域，從而引發(fā)所謂的熱失控，引起爆炸和火災(zāi)。完全消除金屬微粒幾乎是不可能的，因為它們是在生產(chǎn)和組裝過程中由切割，軋制和纏繞機械產(chǎn)生的。

除此之外，充電過程也可能會出現(xiàn)問題。當(dāng)鋰離子從鋰金屬氧化物陰極流向石墨陽極時，通常鋰離子會嵌入石墨晶格結(jié)構(gòu)的間隙中，這一過程稱為嵌入（intercalation）。但是高充電電流，局部缺乏活性陽極材料或較低的環(huán)境溫度會導(dǎo)致鋰離子鍍在陽極表面上。然后，鋰金屬可能會堆積成稱為樹突的線狀結(jié)構(gòu)，隨著電池的充電和放電而增長，最終刺穿隔板并形成短路，從而導(dǎo)致熱失控。最后，如果鋰離子電池溫度過高，也可能會變得不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致熱失控。

Anode：陽極/ Cathode：陰極

上圖解釋了何為熱失控。這個過程為5步：1.熱量產(chǎn)生；2.保護層破壞；3. 電解液分解成易燃氣體；4.隔膜熔化，可能造成短路；5.陰極破壞，產(chǎn)生氧。

所以，傳統(tǒng)的鋰離子電池的結(jié)構(gòu)采用磁錄音磁帶生產(chǎn)技術(shù)，使其易受熱失控的影響，這可能導(dǎo)致爆炸或火災(zāi)造成災(zāi)難性的損害。也由于此，許多公司都在想盡辦法研究顛覆這一設(shè)計的全新鋰離子電池。

責(zé)任編輯：PSY