钜大LARGE | 点击量：857次 | 2019年05月14日
在电池安全问题上，人类科技可能遇到了一个瓶颈
自2017年三星推出“Boom7”以来，贴身数码产品的电池安全问题突然成了消费者关注的重点。不少科学家和创业公司一头扎进这个领域，试图通过修改设计、推出新材料，一劳永逸地解决这个问题。然而，至今为止，所有的新路都是死路。在很长一段时间内，最实用的解决方案可能就是最无趣的那种。
按照主流思路，改进电池安全性主要从3个方面下手：减少固体电池中的易燃液体量;为电池装上防火部件;或者微调一下电池的功能，避免过快地充放电。至少，以目前的技术前景来看，电池出现革命性变化的可能性不大。
要理解这个问题，首先要具备对电池工作原理以及电池损坏原理的基本知识。这里要补充一下，本文讨论的主要是锂离子电池。锂离子电池能量密度高、充放电速度快，是目前最主流的电池类型。科学家们也在开发镁电池(充放电慢)和硫电池(容量小)，但在短期内，锂电池的地位无可替代。
先看原理：锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。在充放电时，正负极各自发生反应，锂离子在高度易燃的电解质之中，从一极移动到另一极。
导致锂离子电池起火的原因有很多，最常见是，在充放电过程中，糟糕的电池设计或电池自身产生了过多的热量，超出了热量控制范围。电池制造商还在电池的两侧放置隔离膜以防止接触。如果隔离膜出现问题，可能导致电池短接，从而导致过热起火。据透露，三星“Boom7”其中一个批次的电池，就是因为错误的设计导致隔离膜破损，从而引发爆炸。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
知道问题，科学家就能对症下药，其中1种方法是采用固态电池，原因很简单：既然电池中的液态电解质是起火的主要原因，那就不用它了，而固体基本不存在过热起火的问题。不过，固态电池的缺点也很明显——离子在固体中移动困难，这意味着固态电池更难设计、更贵，而且性能很难赶上液态电池。
从理论上说，制造固态电池的材料主要有3种。塔夫茨大学材料科学家、固态电池公司Ionicmaterials创始人齐默尔曼(MichaelZimmerman)表示，可以用陶瓷、玻璃或聚合物充当电解质。
问题是，陶瓷和玻璃很脆，稍稍施加压力，它们就会破裂(毕竟对于许多电子产品，抗摔是个重要特性)。此外，齐默尔曼表示，相较一些化学制品，陶瓷和玻璃的生产工艺更复杂，生产成本高，因此，要将其大规模投入使用有点不切实际。与此同时，陶瓷和玻璃的制造过程有时会排放有毒气体。
相较而言，固态聚合物也许是液态电解质的最佳替代品。目前，科学界已经研发出某些能传导离子聚合物，但通常只能在极高的温度下工作。而齐默尔曼的团队开发了一种聚合物，可以在室温下传导离子，同时还具备阻燃剂。他们曾经发布一个视频，当场切碎一块聚合物，既没有爆炸，也没有着火，安全性很高。
根据齐默尔曼的说法，Ionicmaterials已经和制造商合作，研究聚合物电池的制造工艺，预计2-3年内就能投产。不过，消费者最好不要对“2-3年”抱太大期望，因为据咨询公司NavigantResearch电池行业分析师麦克伦尼(IanMcClenny)所说，“在过去4到5年中，已经有多家公司承诺，会在2-3年内将固态电池投产”。
麦克伦尼表示，几乎所有的电动汽车制造商都在固态技术方面取得了突破，但是几乎没有一种发展到商业化，甚至接近商业化的程度。他说:“我认为，在20世纪20年代早期或中期之前，固态电池都不会成为一种选择，因为这种电池的寿命都不长。”
对电池创新需求最大的是电动汽车。然而，按照大多数固态电池一年半的寿命来看，对于手机等电子产品来说，可以接收，但是很难满足电动汽车的需求。
因此，从短期看，固态电池革命并不现实，科学家开始尝试另一条路——为液态电解质增加防火特性。NOHMs技术公司目前正从事着方面的研究，其CTO莫甘蒂(SuryaMoganty)表示，他们正在从“离子固体”中开发电解质，这种物质类似于盐，但在室温下呈液态。将这种材料加入电解液，会赋予它们难得的阻燃性能，弊端是，电池寿命会打折。NOHMs公司试图通过改进配方，使电池寿命达到500个充放电周期。
与此同时，该公司研究人员还在去年发明了一种水基电池。这种电池不仅安全，且效率超高，充电功率可以达到4伏特，已经达到部分传统电解质的标准，但它面临和“离子固体”电池同样的寿命问题。在实验室中，其最长寿命只有70个充放电周期，离商业化应用需要的500个周期差得很远。
麦克伦尼总结道，在目前一种听起来让人热血沸腾的技术中，没有一种技术可以取代现有的锂离子电池。
现在，解决电池安全问题最高效的方法，可能不是对电池技术和材料做出大改，而是对现有特性做一些微调，例如从软件层面优化设备的电池管理系统。毕竟，管理系统已经是每个电池必备部分，制造商不需要通过昂贵的创新方式来整合一项新技术。麦克伦尼说:“制造商可以配备先进的传感器收集电池数据，探查到电池问题，针对性维护，有助于延长电池的寿命。”
此外，圣地亚哥的电池安全公司Amionx还在研究一种新方法。公司CEO戴维森(BillDavidson)表示，他们推出了一种名为SafeCore的物质，或者说是机制。SafeCore不会改变电池本身的组件，而是在电池内添加一层额外的物质，可以在火灾出现苗头将其掐灭。具体而言，当电池出现过热或电压过高的问题时，该机制会被触发，从而断开电极和电池之间的连接，将整个电池“关机”。
与业内其他技术公司一样，Amionx希望和现有电池制造商合作，自己仅提供技术，不投入大成本生产。但如果制造工艺进步太慢，他们会考虑建立自己的电池厂。戴维森宝石:“如果2019年我没有在市场上看到这款产品，我会很失望。”
回到电池安全问题本身。尽管像三星Note7那样的电池爆炸事件备受瞩目，但从更长的时间跨度来看，现在的电池已经比过去安全许多。不过，新的挑战也将随着电动汽车的时代到来。对充放电速度、能量密度的高要求，在同等技术下，必然意味着更高的起火风险。在之前特斯拉2次自动驾驶事故中，电池都在碰撞后起火，引发了人们担忧。
在麦克伦尼看来，如果电池公司能做一些渐进式的改进，而不是急功近利地找出一劳永逸的解决方案，结果也许更好。他认为，预期大力投入新材料研发，不如研究更薄的隔离膜，以提高能源和动力密度，这样，他们研发电池的程序更具可持续性。对单个组件进行增强，可以获得公司可以继续构建的更可持续的设计。
