去年年底，三星公司的Galaxy Note 7爆炸消息頻發(fā)，國內(nèi)外的各大航空公司也紛紛禁止攜帶Galaxy Note 7乘機。此次三星因為Note 7大規(guī)模召回直接經(jīng)濟損失可能高達20億美元，間接品牌價值損失不可估量。一時之間，鋰電池的安全問題再次引起了人們的高度關(guān)注。其實，鋰電池自從問世以來，已經(jīng)爆炸過多次。2006年，安裝索尼生產(chǎn)鋰電池的筆記本電腦（例如戴爾）有過熱起火的隱患，索尼耗費4億美元召回了近1000萬個電池，成為IT界年度丑聞之首。2013年，美國波音公司制造的波音787客機“夢幻”客機由于鋰電池容易過熱被迫暫停飛行，類似事件都給鋰離子電池的安全問題敲響了警鐘。要揭開鋰電池起火乃至爆炸的原因，還得從鋰電池的發(fā)展過程說起。 

　　早在1958年，由于具有很高的能量密度，鋰被用于電池中。鋰一次電池（也叫鋰原電池，一次性使用）于1970年進入商業(yè)領(lǐng)域。由于這種電池不環(huán)保且浪費資源，上世紀60年代，人們已經(jīng)開始研究可以反復(fù)使用的鋰二次電池。鋰二次電池研發(fā)經(jīng)歷了金屬鋰二次電池、鋰離子電池與鋰聚合物電池三個階段。 

　　1972年，第一塊鋰二次電池誕生，采用了鋰金屬單質(zhì)作為負極，二硫化鈦TiS₂為正極，LiClO₄ /二惡茂烷為電解液。由于鋰離子在嵌入/脫嵌過程中（嵌入發(fā)生在放電時，此時鋰離子嵌入到二硫化鈦的晶格結(jié)構(gòu)中；充電時鋰電子回到原來的狀態(tài)），不影響二硫化鈦的晶格結(jié)構(gòu)，所以具有良好的可逆性，這讓鋰電池具有了一般高能量密度可充電電池不具備的高循環(huán)壽命。然而，實際中電池壽命比理論預(yù)期短、出現(xiàn)安全性能差等問題。研究充放電機理表明, 鋰枝晶的生成是“罪魁禍首”，如圖1所示。 

圖1 電極析出的鋰枝晶 

　　充電過程中, 由于金屬鋰電極表面凹凸不平，造成不均勻沉積，導(dǎo)致充電時析出鋰枝晶。當枝晶生長到一定程度就會折斷,造成鋰的不可逆, 使電池充放電實際容量降低。鋰枝晶也有可能刺穿隔膜, 將正極與負極連接起來，造成內(nèi)部短路，產(chǎn)生大量的熱令電池著火甚至發(fā)生爆炸。由于鋰枝晶問題難以解決，鋰金屬二次電池發(fā)生多起起火事故，大部分企業(yè)退出金屬鋰二次電池開發(fā)，尋找其他的解決方案，發(fā)展最成熟的當屬鋰離子電池與鋰聚合物電池。 

　　鋰離子電池方面，跑在最前面的是索尼公司。在嘗試了1.1億種正負極材料和電解液的組合后，索尼挑選出了以LiCoO2為正電極和C為負電極的方案，鋰離子在充放電循環(huán)過程中，在正負電極來回“嵌入”與“脫嵌” (見圖2)，就像搖椅一樣“搖擺”，所以被形象地命名為搖椅式電池。在這一基礎(chǔ)上，索尼在1992年推出了鋰離子電池（LIB），直徑18mm、長度65mm，也就是當今廣泛采用的18650鋰電芯。 

圖2 鋰離子電池原理圖 

　　鋰聚合物電池是另一種方案，采用離子導(dǎo)電聚合物電解質(zhì)取代液體電解質(zhì)。聚合物電解質(zhì)還兼有液態(tài)鋰離子電池中隔膜的作用，通?？梢苑譃閮煞N：固體聚合物電解質(zhì)SPE和凝膠聚合物電解質(zhì)GPE。固體聚合物電解質(zhì)可以做得很薄, 電池可做成任意形狀而且防漏, 并可防止鋰枝晶的形成,然而離子導(dǎo)電率低、機械強度等問題妨礙了其發(fā)展。同時，研究者們發(fā)現(xiàn)在固體聚合物電解質(zhì)中添加增塑劑后變成了凝膠聚合物電解質(zhì)，能大幅提升離子導(dǎo)電性，而且電化學(xué)穩(wěn)定性、安全性、機械耐受性和電池過充電時的耐受性都比固體聚合物電解質(zhì)優(yōu)良。1999年, 鋰離子聚合物電池正式投入商業(yè)化生產(chǎn)，也被日本人稱為鋰聚合物電池的元年。 

　　介紹完鋰電池發(fā)展史，我們回過頭來看三星Note 7，手機中使用的是鋰離子電池，充電時，鋰離子經(jīng)過正極與負極之間的電解液“游”到負極中；放電時，這些鋰離子又從負極中經(jīng)過電解液“游”回正極中。在此過程中，如果正極與負極直接接觸就會發(fā)生短路，造成電池的異常發(fā)熱，甚至?xí)?dǎo)致起火爆炸等危險。隔絕正負極并提供充足的電解液給鋰離子來回“游動”靠的是關(guān)鍵材料--隔膜。目前手機電池的能量密度已經(jīng)逼近極限，廠商為了提高續(xù)航能力，只能想方設(shè)法給電池“瘦身”。同一塊電池，如果隔膜變薄，可以多裝一點正極和負極材料，提升電池能量密度。但是，越薄的隔膜對工藝的要求越嚴格，稍微的質(zhì)量瑕疵或電池工藝失誤都有可能造成隔膜缺陷，導(dǎo)致電池的短路。調(diào)查證實，Note 7爆炸的原因正是由于電池在陽極與陰極隔離膜局部變薄，并且絕緣膠帶未完全覆蓋極板涂層的情況下，出現(xiàn)短路。 

　　為了提高鋰電池安全性，研究者也不斷進行相關(guān)研究：一方面給鋰電池配備保護芯片和軟件，設(shè)定鋰電池的充電速度，并隨時監(jiān)測鋰電池的過充、過放狀態(tài)以及溫度信息，主動報警，避免出現(xiàn)由于溫度過高引發(fā)爆炸。另一方面是從鋰電池本身入手，美國斯坦福大學(xué)教授崔屹團隊利用橡皮泥“是軟是硬可隨作用力大小隨意切換”的個性，將它作為鋰金屬電池電極的保護涂層，顯著提高了電池循環(huán)穩(wěn)定性和安全性。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在國際材料與化學(xué)類頂尖雜志《美國化學(xué)會雜志》（JACS）上。將一層厚度僅約1微米的橡皮泥涂在鋰金屬表面，可以近乎完美地保護鋰金屬電極。一旦某些區(qū)域有鋰枝晶“刺出”，橡皮泥涂層就會迅速變硬，有效阻擋鋰枝晶的生長。這種智能刺激響應(yīng)涂層為鋰電池研發(fā)提出了一個全新的概念，未來有望繼續(xù)完善并實現(xiàn)商用。