【元宇宙】要火，但不能“起火”！——村田电池：半固态凝胶软包电池篇

来源:电子创新网发布时间:2022-03-311285浏览

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巨额收购的背后，是微软全力进军元宇宙生态的强烈愿景，并且将本就在风口浪尖上的“元宇宙”推向了更高的境界。

元‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍宇宙的“入口”——VR眼镜

在先进的显示/音频/动态感知技术的加持下，玩家们使用VR产品时可以更加地沉浸于“元宇宙”世界中，获得更美妙的游玩体验。

但是这也带来了一些问题：

当玩家的视觉/听觉等知觉都沉浸于虚拟世界时，毫无疑问会大幅降低对周遭环境变化的感知和反应能力。因此在使用包括VR眼镜等虚拟现实设备时，需要确保使用过程中的安全性，其中最基础的是【设备本身需要提高其安全性】。特别是VR设备作为头戴设备，一旦VR设备出现危害人体安全的事故，会直接威胁到人体的重要器官如眼睛和耳朵，甚至有可能影响到脑部。

在各家VR产品厂家的设计方案中，大多数VR眼镜多是内置锂电池的无线设备。而锂电池恰恰是VR设备自身安全性的最大短板。

锂电池是VR设备自身安全性的最大短板

为什么锂电池会自燃起火？

我们在中学阶段的化学课上有学过“燃烧三要素的概念”：

当“助燃剂”，“高温”和“可燃物”这三者齐聚一堂时，“可燃物”就会发生燃烧的现象。

接下来我们来看看锂电池是如何“自带”这三种要素的：

除去电池的外壳（钢壳或者铝塑膜），电池内部主要有正极材料（涂敷在铝箔上），负极材料（涂敷在铜箔上），隔膜和电解液组成。隔膜夹在正极和负极之间组成三明治结构，再将“三明治”或卷绕或叠层出我们熟悉的圆柱或者方型电池的形状，最后再将电解液注入其中，即完成了电池的基本组装。

而其中，电解液的主体部分是有机溶剂，是可燃物质，常用的溶剂有碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯脂(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)等。这些物质的燃点普遍较低，碳酸二甲酯(DMC)大约在180度，而碳酸二乙酯(DEC)和碳酸甲乙酯(EMC)的燃点只有100度左右。

锂电池的工作过程可以简单理解为锂离子在正极和负极材料之间的“反复横跳”。

放电的时候，锂离子从负极材料中脱嵌，通过隔膜的微孔，嵌入正极材料中。充电的时候则相反，锂离子从正极材料中脱嵌后再嵌入负极材料。

但是正负极材料吸收锂离子的能力是有极限的，过大的量或者过快的速度等，当超过材料的极限吸纳能力后（或者低温等弱化了材料的吸纳能力），锂离子就会在材料表面大量堆积且自我结晶化，长出如树枝一般的锂枝晶。而这种锂枝晶不断生长后会刺穿隔膜，最终接触到另一端电极从而造成内短路释放大量热量，产生高温。

目前主流的锂电池正极材料里，绝大多数都是金属氧化物材料，例如三元镍钴锰LiNixCoyMn1-x-yO2或钴酸锂LiCoO2。其优点是可以吸纳更多锂离子，释放更多电能，但缺点是不耐高温。高温下这些正极材料会分解，氧原子会从原先的化学结构后脱出，之后在电池密闭的空间内结合生成氧气，即析氧。

所以你看，

“
锂电池几乎是自带燃烧三要素。

”

首先是电池过度使用或者材料衰减后，材料表面开始形成锂枝晶。锂枝晶生长到刺穿隔膜后导致正负极内短路，产生高温。高温下正极材料开始析出氧气。这样“短路造成的高温”+“正极产生的氧气”+“低燃点的电解液有机溶剂”=锂电池自燃。

我们再从自燃的结果去倒推自燃发生的原因：

自燃的发生需要集齐燃烧三要素。
三要素中，氧气也是由高温引发的。
高温的主要来源是电池内短路。
内短路的主要来源是锂枝晶。

所以，如果我们可以有效地抑制锂枝晶的话，就可以从根源上避免锂电池自燃。

找到锂电池的安全病根，对症下药！——村田电池的半固体凝胶电解质技术

锂枝晶之所以可以生长并刺穿隔膜，主要问题还是在于电解液是“液体“，锂枝晶可以在”柔软“的液体环境中自由生长。

那么如果不用液体呢？村田电池的工程师们从这个视角，开发出了基于半固体凝胶电解质的凝胶锂电池。

半固体的凝胶电解质为锂电池带了多项好处：

锂离子在半固体凝胶电解质环境中，很难有效地形成树杈状锂枝晶。
村田电池的半固体凝胶电解质本身具有较强的缓震能力，可以吸收电池在使用过程中受到的震动。并且半固体也赋予了凝胶电解质较强的机械强度，当电池受到外力冲击时，可以有效保护电池内部的电极/隔膜的三明治结构，提高电池的耐用性和抗冲击能力。例如常见的手机跌落问题，村田凝胶软包电池可以承受上百次的手机跌落测试，是传统液系软包的数倍。（仅供参考）
锂电池的电解液漏液问题是个老大难问题了。而村田电池的半固态凝胶电解质的半固态特质使得这个电解液问题也解决了。
村田电池的半固态凝胶电解质的燃点也比传统液系电解液要高，当电池被外部的尖锐物刺穿而引发短路高温时，高燃点的半固态电解质也较难被引燃，有效降低了起火风险。