在安全的边缘不断试探 锂离子电池的前世今生

锂离子电池的前世

锂离子电池（Lithium-ion battery）是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。锂离子电池使用一个嵌入的锂化合物作为一个电极材料。目前用作锂离子电池的正极材料主要常见的有：锂钴氧化物（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、镍酸锂（LiNiO2）及磷酸锂铁（LiFePO4）。

最早提出锂离子电池概念的，是上世纪七十年代在埃克森工作，而现在在宾汉顿大学工作的M.S.Whittingham。他采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成了首个锂离子电池，而安全的风险在这个时候就已经与锂离子电池如影相随了——单单是在正常大气条件下，只要有水和氧的存在，锂的火烈性格就会展露无遗，并会随之发生燃烧化学反应。

可是，也正因为有高度反应性，锂元素作为电池的价值才会被难以忽视——因而M.S.Whittingham最终把研究方向转移到了，寻求用锂化合物代替金属锂来释放锂离子上。

之后，顺着这条研究路线，1982年伊利诺伊理工大学（the Illinois Institute of Technology）的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现了锂离子能够嵌入石墨的特性——这一过程虽然同燃烧反应一样火烈热切，但却是可逆的。理论逐渐成熟的锂离子电池，其安全隐患也是在这时，逐渐受到人们关注的。

抱着试一试的态度，实验室的小伙伴们开始尝试利用锂离子嵌入石墨的特性，制作充电电池，最终，首个可用的锂离子石墨电极在贝尔实验室试制成功了——这在人类电池史上可是浓重的一笔。

时光飞逝，转眼间就到了1985年，这一年，日本旭化成的吉野彰运用钴酸锂开发出了电池阴极，并彻底消除了纯金属锂在电池结构中的存在，从而完成了世界上最初商业化可行的含锂碱性锂离子电池——1991年商用锂离子电池是由索尼成功开发，也就毫无意外了——它的实用化，使人们的移动电话、笔记本电脑等便携式电子设备的重量和体积大大减小，并大大延长了可持续时间（对了，锂离子电池中还不含有重金属镉哦，与镍镉电池相比，它大大减少了对环境的污染）。

锂离子电池的商业化受到了人们的一致推崇——截至2018年，全球锂离子电池产能为30千兆瓦时，光中国就贡献了20亿千瓦时。

▲锂离子电池用途广泛，小到手机，大到航天。

热封闭隔膜

当电池由于针刺或挤压等造成很大的电流通过电池，造成电池温度上升时，电池内部的多孔隔膜就会迅速软化，由于电池卷芯较紧，受到挤压的隔膜就会因其多孔结构的相互粘连，而形成一种几乎完全封闭的结构，并停止离子的传输并终止化学反应，达到电流被迅速切断的目的。安全性能达标的电池，往往会在这个环节就阻止温度的进一步上升，并使电池不再发生危险。等于为电池加个保护膜，电池被戳破，可以迅速填补并断电，防止爆炸。

但不达标的产品，就有可能在这一步因为隔膜在升温时没有形成较好的封闭结构，或者受力不均匀引发的收缩变形，从而造成电池的内部由于短路而发生危险。

正温度系数电阻（PTC）

另外，利用电阻升温阻值升高的原理所设计的保险措施，也同样十分有效——当电池发生过充或者外部短路时，大量的电流会使电池所串联的正温度系数电阻升温，从而导致电阻发热、升高阻值，并因此降低流过电池的电流，以保障电池的安全。相当于增加一个电阻守卫，过充或短路→电流大→发热→电阻提高→降低电流→保证安全。

安全阀

除了以上两种比较常规的解决办法外，还有一种脑洞大开的安全措施也同样是现今厂商所乐于使用的。电池过充后，受热后电解液汽化和电解液分解产生气体，都有可能造成电池内部气压的骤然增加，从而导致电池的爆炸。防爆阀或防爆膜正是为此而设计的，它们会及时破裂，释放电池的内压，从而保障用户的财产和人身安全——安全阀知道电池过充“生气了”，先引爆自己让电池“泄气”，保证安全。

提高电池安全的化学方法

此外，可聚合的添加剂、 电压敏感隔膜、氧化还原电对、阻燃添加剂等化学方法也同样是厂商所经常采用的安全措施。

我们自己可以做什么？

作为消费者，我们都有什么办法来防止危险的发生呢？

第一，充电时不得高于最大充电电压，放电时不得低于最小工作电压。无论任何时间锂离子电池都必须保持最小工作电压以上， 低电压的过放或自放电反应会导致锂离子活性物质分解破坏，并且不一定可以还原——换句话说，最好不要把变压器混用。

第二，锂离子电池任何形式的过充都可能会导致电池性能受到严重破坏，甚至爆炸，因而在充电过程中要尽量避免对电池产生过充。

第三，避免冻结

总而言之，虽然我们处在一个科技大爆发，有各种电子产品改善生活的时代里，锂离子电池便是一个活生生的例子——用好了，它能很好地改善我们的生活环境，扩大我们的活动范围和工作效率。