如何構(gòu)建蓄電池安全解決方案？

蓄電池使用不當(dāng)或質(zhì)量不佳時有時會著火或爆炸。而科學(xué)家和初創(chuàng)公司長期以來一直致力于打造更安全的電池。他們致力于開發(fā)和測試新材料，希望能夠一勞永逸地解決問題。但是似乎每種方法都有難以解決的問題，而現(xiàn)在最實用的解決方案可能是技術(shù)最保守的解決方案。

改進電池的安全性能主要有三個步驟：電池的電解液避免使用易燃液體；電池組件必須防火；改善電池中的現(xiàn)有安全功能。而這些對于電池來說，其變化是緩慢的。

技術(shù)研究人員了解電池工作的基本知識以及電池故障的原因非常重要。很明顯，人們談?wù)摰拇蠖嗍?a href="http://www.msthinker.com/news/article-1190.html" target="_blank">鋰離子電池，這是最常見的電池類型，因為鋰電池可以提供如此多的能量?？茖W(xué)家們也正在開發(fā)鎂電池（它們放電很慢）和硫磺電池（不會持續(xù)很長時間），但鋰離子電池目前仍然是市場的主流。

鋰離子電池主要由兩個電極或?qū)щ婓w組成，電解液中的鋰離子從一側(cè)移動到另一側(cè)，電池中電解質(zhì)卻是高度易燃的化學(xué)物質(zhì)。

電池爆炸或著火有幾個不同的原因。最常見的是，過多熱量或糟糕的電池設(shè)計會使電解質(zhì)以一種產(chǎn)生熱量的方式產(chǎn)生反應(yīng)，這種“熱失控”現(xiàn)象導(dǎo)致電池著火或爆炸。電池制造商通常在電池的兩極之間放置隔板以防止它們接觸。如果隔板出現(xiàn)故障，就會著火或爆炸，而這就是三星手機電池發(fā)生的情況

那么如何解決這個問題？

如今，一個宣傳解決方案是開發(fā)固態(tài)鋰離子電池。這個想法很簡單：不使用易燃的液體電解質(zhì)，而是采用用固體材料制造電解質(zhì)；固體鋰離子電池不太可能爆炸或著火。但鋰離子通過固體比通過液體更難，這意味著固態(tài)電池難以設(shè)計，而且價格昂貴，并且可能存在性能問題。

生產(chǎn)固態(tài)鋰電池有三種主要材料。美國塔夫茨大學(xué)材料科學(xué)家、固體鋰離子電池公司離子材料公司的創(chuàng)始人Michael Zimmerman解釋說，可以采用陶瓷、玻璃或聚合物生產(chǎn)電解質(zhì)。

陶瓷和玻璃具有脆弱的特性，一旦施加壓力很容易破裂。Zimmerman說，陶瓷和玻璃也很難大量生產(chǎn)，因為人們需要大量的電池，這使得大量采用這些材料變得不切實際。另外，在生產(chǎn)這些材料的過程有時會釋放出有毒氣體。

還有一種材料就是聚合物。一些聚合物可以傳導(dǎo)離子，但通常只能在極高的溫度下工作。 Zimmerman的團隊開發(fā)出一種聚合物，可以在室溫下傳導(dǎo)離子，但也具有阻燃性。在一段視頻中，他們演示了如何在不著火的情況下將其切成碎片。

現(xiàn)在，Ionic Materials公司正在與電池制造商合作，他們需要改變生產(chǎn)制造電池的方式以適應(yīng)新的聚合物。Zimmerman說，希望在未來兩三年內(nèi)可以推出這種電池。

兩三年的時間聽起來并不長，但對業(yè)界人士來說有些等不及。“有些廠商承諾固態(tài)鋰離子電池將在未來兩到三年內(nèi)進入市場，而近年來投資者對固態(tài)鋰電池的技術(shù)進展越來越不耐煩。”專門從事電池研究的研究機構(gòu)Navigant Research公司分析師Ian McClenny說。

McClenny表示，一些電動汽車制造商都表示他們在固態(tài)鋰離子電池技術(shù)方面取得了突破。

但McClenny認為，幾乎所有的固態(tài)鋰離子電池都沒有實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

推動電池創(chuàng)新的主要驅(qū)動因素是電動汽車，而現(xiàn)在，大多數(shù)固態(tài)鋰離子電池的工作可能會持續(xù)一年半。這對于手機來說可能是可以接受的，但對于昂貴的電動車來說這幾乎是不可行的。

NOHM科技公司的首席技術(shù)官Surya Moganty表示，尋求更加安全電池的另一個策略是使電解質(zhì)本身具有防火性，盡管其仍然是液體。他們用“離子固體”開發(fā)電解質(zhì)，這種材料類似于鹽，但在室溫下是液體。

將這種材料制成電解質(zhì)使它們具有阻燃性，但同樣可能存在電池壽命問題。 NOHM公司正在改進配方，以便使用其技術(shù)的電池可以持續(xù)長達500個充放電周期，并且還與制造商合作以獲得該技術(shù)的許可。一個類似的問題困擾著研究人員，他們?nèi)ツ觊_發(fā)了一種水基電池，這種電池很安全。其單體電壓可以達到4伏，與有機電解質(zhì)的電壓相同，但充放電周期大約只有70個，正如Moganty指出的那樣，電池生產(chǎn)商希望這種電池能夠持續(xù)至少500個充放電周期。

Moganty說，在這些令人興奮的技術(shù)中，似乎沒有一種比較成熟可行的技術(shù)。

現(xiàn)在，最有效的策略可能不是來自重大技術(shù)改變或者重新發(fā)明新電池。而是對現(xiàn)有功能進行改善的電池。例如，已經(jīng)包含電池管理系統(tǒng)的電池，該系統(tǒng)是一種可以監(jiān)控電池運行情況的軟件，可以檢測電池是否出現(xiàn)問題。

McClenny說，“能夠精確定位不符合標(biāo)準(zhǔn)的電池可以延長電池的使用壽命。”

這類似于總部位于圣地亞哥的電池安全商Amionx公司所采取的方法，Amionx公司從電池公司American Lithium Energy中分離出來的一家公司，其研究曾為美國軍方生產(chǎn)防火電池。

該公司首席運營官Bill Davidson表示，他們的技術(shù)名為SafeCore，是電池安全的最后一道防線。 SafeCore技術(shù)不會更改電池本身的組件，它只是電池內(nèi)部采用一層隔離材料，可以在著火之前進行阻斷。當(dāng)由過熱或過高的電壓觸發(fā)時，這層隔離材料將會中斷電池電極之間的連接，并調(diào)節(jié)通過電池的電流。

盡管電池爆炸事件備受矚目，就像三星的Galaxy Note 7手機一樣，但是從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，如今的電池比過去更安全。

在安全性方面，最簡單的解決方案不一定是技術(shù)，而是結(jié)構(gòu)。技術(shù)專家表示，從理論上講，鋰離子電池已經(jīng)達到了其最大電池壽命的90％，并且很多廠商致力于開發(fā)更快、更強大的電池。

McClenny表示，如果企業(yè)采用漸進式改進而不是快速尋找一種解決方案以提高容量和功率密度的話，那么他們生產(chǎn)的電池可能更具可持續(xù)性。