從微觀看鋰電池的脹氣/高溫/爆炸

鋰離子電池的充放電是一個化學(xué)反應(yīng)過程，在平靜的表面下，鋰離子在正負(fù)極間來回奔走。鋰離子電池充電時，正極的鋰原子會喪失電子，氧化為鋰離子，鋰離子經(jīng)由電解液進(jìn)入負(fù)極，并獲得一個電子，還原為鋰原子。放電時，過程則相反。此外，為了防止電池的正負(fù)極直接碰觸而短路，電池采用有細(xì)孔的隔膜，將正負(fù)極隔離。

鋰電池的脹氣、高溫、爆炸等問題，通常與過充、過放以及大電流有關(guān)，三者會對電池造成損害。當(dāng)過充發(fā)生時，正極材料內(nèi)剩下的鋰原子數(shù)量過少，導(dǎo)致電池容量形成永久性下降。在負(fù)極端，鋰原子飽和之后，再充電會使鋰金屬堆積在負(fù)極材料表面，形成樹枝狀結(jié)晶。久之，鋰枝晶會穿破隔膜，造成正負(fù)極短路。過充時，電解液等材料往往會裂解產(chǎn)生氣體，造成電池外殼或壓力閥鼓脹破裂，氧氣堆積在負(fù)極表面的鋰原子反應(yīng)，導(dǎo)致爆炸。同樣，過放時，也會對材料造成損害。

此外，電流過大時，鋰離子來不及進(jìn)入材料內(nèi)部，會聚集在材料表面，這些鋰離子獲得電子后，會在材料表面產(chǎn)生鋰原子結(jié)晶，由于鋰是化學(xué)周期表上最活潑的金屬，鋰原子易與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)而爆炸。

新型耐高溫隔膜有望商業(yè)化

電池隔膜主要的功能是分隔鋰電池中的正負(fù)極板，防止正負(fù)極板直接接觸產(chǎn)生短路，因此，隔膜的性能對鋰電池安全有較大影響。一般而言，考察隔膜性能的參數(shù)有如下幾點(diǎn)：1.厚度2.透氣率3.浸潤度4.化學(xué)穩(wěn)定性5.孔徑及分布6.穿刺強(qiáng)度7.熱穩(wěn)定性8.閉孔溫度、破膜溫度9.孔隙率。業(yè)內(nèi)對隔膜的研究，也多從這些方面去提高。

目前，市場上大規(guī)模應(yīng)用的鋰離子電池隔膜主要是聚烯烴類有機(jī)隔膜，這種隔膜生產(chǎn)成本低、力學(xué)性能和電化學(xué)穩(wěn)定性均較好，但孔隙率偏低，對電解液的潤濕性和熱穩(wěn)定性都較差，可能導(dǎo)致電池短路，嚴(yán)重時可引發(fā)火災(zāi)或爆炸等事故。

不久前，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員朱英杰帶領(lǐng)的團(tuán)隊，與華中科技大學(xué)教授胡先羅帶領(lǐng)的團(tuán)隊合作，在此前羥基磷灰石超長納米線新型無機(jī)耐火紙的研究工作基礎(chǔ)上，研發(fā)出一種新型羥基磷灰石超長納米線基耐高溫鋰離子電池隔膜。據(jù)電池中國網(wǎng)了解，該電池隔膜熱穩(wěn)定性高、耐高溫、阻燃耐火，在700℃的高溫下仍可保持其結(jié)構(gòu)完整性，在150℃高溫環(huán)境中能夠保持正常工作狀態(tài)。

日本三菱制紙株式會社則以無紡布為原料，開發(fā)新的隔膜，將陶瓷粒子涂敷在聚酯纖維構(gòu)成的無紡布隔膜上，以增強(qiáng)電池隔膜的耐高溫性能，其可耐三倍高溫(達(dá)到470℃)。2018年，預(yù)計在日本高砂工廠投入近30億日幣設(shè)備，年生產(chǎn)能力增至3300萬平方米。

正是由于隔膜對解決鋰電池爆炸問題所起的關(guān)鍵作用，西南石油大學(xué)材料工程與科學(xué)學(xué)院的一個項(xiàng)目團(tuán)隊也從隔膜的材料入手，研發(fā)出天然木質(zhì)纖維素鋰離子電池隔膜，經(jīng)過性能測試，與世界上先進(jìn)的隔膜產(chǎn)品相比，天然木質(zhì)纖維素鋰離子電池隔膜具有綠色環(huán)保、高效安全、工藝簡便、成本低廉的優(yōu)勢。該項(xiàng)目團(tuán)隊負(fù)責(zé)人介紹，采用這種新材料，每張手機(jī)鋰電池的隔膜生產(chǎn)成本只要一毛錢。

新研發(fā)的隔膜產(chǎn)品，只有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，研發(fā)工作才能實(shí)現(xiàn)最大價值。中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研發(fā)的新型羥基磷灰石超長納米線基耐高溫電池隔膜，還有望應(yīng)用于鈉離子電池、超級電容器等多種類型的耐高溫電池和儲能體系中。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《先進(jìn)材料》上，并申請一項(xiàng)發(fā)明專利，但目前還沒有量產(chǎn)的相關(guān)消息。日本三菱制紙株式會社開發(fā)的無紡布隔膜預(yù)計2018年量產(chǎn)，據(jù)了解，西南石油大學(xué)研發(fā)的天然木質(zhì)纖維素鋰離子電池隔膜也在尋求商業(yè)化合作。