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锂电池天使与魔鬼

发布时间:2019-09-14 07:48:58

  锂电池:天使与魔鬼

  中国对新能源汽车的热情所带来的风潮,正在使曾经在移动通信和移动视听方面带来极大便利的锂电池成为最热门的竞争和关注点之一。

  但是,当更多人在续航里程、电池寿命甚至废旧电池如何处理等方面绞尽脑汁时,一个非常重要的根本问题似乎被忽视了,那就是它足够安全吗?

  1978年3月,供职于美国埃克森石油公司的化学家(工程师)斯坦利韦廷汉姆发明锂电池时,或许并未想到此后的30多年间,这项发明给人类的科技生活带来了巨大的改变,而锂,这个自然界已知的最轻金属从此变得与人类更加亲密起来。

  当时,韦廷汉姆把钛硫化合物做负极、锂金属作正极,制成了世界上第一个锂电池原型。

  其工作原理是通过锂离子在电池正、负极之间形成电流循环运动,从而实现充、放电的过程。因此锂电池又被称作锂离子电池。

  几十年里,经过不断对正负极材料进行改进,体积更小、能量密度更大以及价格更低的锂电池被制造出来,移动的问世,进一步推动了其微型化和轻量化,后来又普及于微型电子产品,如音乐播放器,今天更被看作成风潮正劲的电动汽车的必然之选。

  但是,近几年和音乐播放器电池频发的爆炸事故,似乎又在敲响警钟这个给人们生活带来便利的东西看起来并不是想象中的那么安全。是制造商放松了品质管理了?研发者对电池某种要素进行了改变?还是人们重视储电量而轻视了安全性?

  一个锂电池内含锂金属不足5g,一辆最初始的电动微轿,若储电30kwh以上,其电池组内含锂金属约50kg左右,电池的爆炸尚会令人谈虎色变,一组微轿电池若发生万一,后果不可想象。

  中国曾发生过锂电池装在电动车辆上后,停放于车库,晚间突然起火,连同整车一起化为灰烬的情况,几个月前亦曾有混合动力大客车发生自燃现象,只是发现和处置得早,才未酿大害。显然,居安思危、未雨绸缪,是电池、电动汽车业者的。

  事实上,锂电池存在爆炸的安全隐患,原因众多,有待破解,但显然都与其自身的构成要素脱不了干系。

  通常一块锂电池正极、负极、隔膜、电解质、单体外包装等五大要素组成。当年,索尼公司研制成功的第一批商用锂电池,其正极由锂的化合物钴酸锂制成,但由于钴属于稀有金属,后来多采用锰、铁、钒、镍等以及高分子合成材料,甚至以空气作为电极之媒介,不同的正极材料,其能量、安全性、工作电压各异。

  负极由石墨及各种混合、合成、复合材料担当。石墨分子的空间,是供锂离子储存的空间格子。

  充电时,正极的锂离子绝大部分转移至负极的空格内,当负极上锂离子过度积聚到一定极限,锂离子就会溢出,生成枝状晶体,这些晶体生长蔓延,刺破隔膜,使正负极接触,于是短路就发生了,此时的短路会瞬间释放出大量的热,使容易发热的和燃烧的电解质沸腾起来,最终爆炸,称为热失效。此外高温、刺穿、击穿、金属屑连通以及车辆碰撞造成对电池的挤压都成为正负极短路出现热失效的原因。

  因此,尽管现在一些采用固体聚合物作为电解质的锂电池,因不会漏液降低了爆炸的可能性,但由于锂电池是通过内部化学反应将外界充进的电转化为化学能储藏到电池,同样通过化学反应将化学能转化为输出的电能,这样的过程会产生温度,一旦温度过高,危险性也就随之而来。

  更何况锂电池本身具有自放电的特征,即在电池外界不充、不放的条件下,它内部正在进行程度快慢不一的化学反应,电池性能优异的自放电率低,反之则自放电率很高。这种内部的化学反应会使得一部放在桌子上的音乐播放器在关机状态发生自爆炸。

  充电放热、放电吸热是锂电池的一个特征,但有时候充电太快也会出现发热的现象,这是因为化学反应来不及将电能转化为化学能,放电时电池升温则是化学能来不及转化成电能所致,因此充电时一般由管理系统而无恙,但放电时反而会出问题。

  基于这样的原理,锂电池放电的电流不宜太大,若电流太大、持续时间太长或许会使化学反应剧烈而升温发热,乃至起火爆炸。

  事实上,现在宣传的有关于锂电池能快充电、快放电的概念,是相对铅酸电池等快一点而已,但若超出锂电池充放电之极限,危险也许就在不远处潜伏。

  至于锂电池到底合适多大电流放电,应由实际来定,但对于汽车行驶工况而言,瞬间大电流放电是常事,这对锂电池来说是个考验

  。

  现在,充放电的过程是可控的,可以通过制造工艺、金属粉末、灰尘、人工等降低危险性,但电池内自身化学反应目前尚难以控制。

  由此看来,锂电池在使用过程中,是一个微型活火山,报废后的锂电池似乎是一个死火山。报废后只要不解拆解体,五大要素齐全,其化学反应便不会中断,只是程度降低,因此电池回收站将锂电池单独封存,视其为危险物品。

  在分析了锂电池的原理、产生故障的因素之后,研发者、制造商需要认清锂电池天使与魔鬼的双重面孔,并需要找到一种办法,将安全隐患降到最低。

  如舞台虎狮表演,必须由驯兽师来指挥,目前锂电池之兽性尚未被人们弄清与掌握,在应用于大容量储电及车辆运行恶劣工况之条件下须慎重应对。

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