蓄電池使用不當或質量不佳時有時會著火或爆炸. 而科學家和初創公司長期以來一直致力於打造更安全的電池. 他們致力於開發和測試新材料, 希望能夠一勞永逸地解決問題. 但是似乎每種方法都有難以解決的問題, 而現在最實用的解決方案可能是技術最保守的解決方案.
改進電池的安全性能主要有三個步驟: 電池的電解液避免使用易燃液體; 電池組件必須防火; 改善電池中的現有安全功能. 而這些對於電池來說, 其變化是緩慢的.
技術研究人員了解電池工作的基本知識以及電池故障的原因非常重要. 很明顯, 人們談論的大多是鋰離子電池, 這是最常見的電池類型, 因為鋰電池可以提供如此多的能量. 科學家們也正在開發鎂電池 (它們放電很慢) 和硫磺電池 (不會持續很長時間) , 但鋰離子電池目前仍然是市場的主流.
鋰離子電池主要由兩個電極或導電體組成, 電解液中的鋰離子從一側移動到另一側, 電池中電解質卻是高度易燃的化學物質.
電池爆炸或著火有幾個不同的原因. 最常見的是, 過多熱量或糟糕的電池設計會使電解質以一種產生熱量的方式產生反應, 這種 '熱失控' 現象導致電池著火或爆炸. 電池製造商通常在電池的兩極之間放置隔板以防止它們接觸. 如果隔板出現故障, 就會著火或爆炸, 而這就是三星手機電池發生的情況
那麼如何解決這個問題?
如今, 一個宣傳解決方案是開發固態鋰離子電池. 這個想法很簡單: 不使用易燃的液體電解質, 而是採用用固體材料製造電解質; 固體鋰離子電池不太可能爆炸或著火. 但鋰離子通過固體比通過液體更難, 這意味著固態電池難以設計, 而且價格昂貴, 並且可能存在性能問題.
生產固態鋰電池有三種主要材料. 美國塔夫茨大學材料科學家, 固體鋰離子電池公司離子材料公司的創始人Michael Zimmerman解釋說, 可以採用陶瓷, 玻璃或聚合物生產電解質.
陶瓷和玻璃具有脆弱的特性, 一旦施加壓力很容易破裂. Zimmerman說, 陶瓷和玻璃也很難大量生產, 因為人們需要大量的電池, 這使得大量採用這些材料變得不切實際. 另外, 在生產這些材料的過程有時會釋放出有毒氣體.
還有一種材料就是聚合物. 一些聚合物可以傳導離子, 但通常只能在極高的溫度下工作. Zimmerman的團隊開發出一種聚合物, 可以在室溫下傳導離子, 但也具有阻燃性. 在一段視頻中, 他們演示了如何在不著火的情況下將其切成碎片.
現在, Ionic Materials公司正在與電池製造商合作, 他們需要改變生產製造電池的方式以適應新的聚合物. Zimmerman說, 希望在未來兩三年內可以推出這種電池.
兩三年的時間聽起來並不長, 但對業界人士來說有些等不及. '有些廠商承諾固態鋰離子電池將在未來兩到三年內進入市場, 而近年來投資者對固態鋰電池的技術進展越來越不耐煩. ' 專門從事電池研究的研究機構Navigant Research公司分析師Ian McClenny說.
McClenny表示, 一些電動汽車製造商都表示他們在固態鋰離子電池技術方面取得了突破.
但McClenny認為, 幾乎所有的固態鋰離子電池都沒有實現商業化生產.
推動電池創新的主要驅動因素是電動汽車, 而現在, 大多數固態鋰離子電池的工作可能會持續一年半. 這對於手機來說可能是可以接受的, 但對於昂貴的電動車來說這幾乎是不可行的.
NOHM科技公司的首席技術官Surya Moganty表示, 尋求更加安全電池的另一個策略是使電解質本身具有防火性, 儘管其仍然是液體. 他們用 '離子固體' 開發電解質, 這種材料類似於鹽, 但在室溫下是液體.
將這種材料製成電解質使它們具有阻燃性, 但同樣可能存在電池壽命問題. NOHM公司正在改進配方, 以便使用其技術的電池可以持續長達500個充放電周期, 並且還與製造商合作以獲得該技術的許可. 一個類似的問題困擾著研究人員, 他們去年開發了一種水基電池, 這種電池很安全. 其單體電壓可以達到4伏, 與有機電解質的電壓相同, 但充放電周期大約只有70個, 正如Moganty指出的那樣, 電池生產商希望這種電池能夠持續至少500個充放電周期.
Moganty說, 在這些令人興奮的技術中, 似乎沒有一種比較成熟可行的技術.
現在, 最有效的策略可能不是來自重大技術改變或者重新發明新電池. 而是對現有功能進行改善的電池. 例如, 已經包含電池管理系統的電池, 該系統是一種可以監控電池運行情況的軟體, 可以檢測電池是否出現問題.
McClenny說, '能夠精確定位不符合標準的電池可以延長電池的使用壽命. '
這類似於總部位於聖地亞哥的電池安全商Amionx公司所採取的方法, Amionx公司從電池公司American Lithium Energy中分離出來的一家公司, 其研究曾為美國軍方生產防火電池.
該公司首席運營官Bill Davidson表示, 他們的技術名為SafeCore, 是電池安全的最後一道防線. SafeCore技術不會更改電池本身的組件, 它只是電池內部採用一層隔離材料, 可以在著火之前進行阻斷. 當由過熱或過高的電壓觸發時, 這層隔離材料將會中斷電池電極之間的連接, 並調節通過電池的電流.
儘管電池爆炸事件備受矚目, 就像三星的Galaxy Note 7手機一樣, 但是從統計數據來看, 如今的電池比過去更安全.
在安全性方面, 最簡單的解決方案不一定是技術, 而是結構. 技術專家表示, 從理論上講, 鋰離子電池已經達到了其最大電池壽命的90% , 並且很多廠商致力於開發更快, 更強大的電池.
McClenny表示, 如果企業採用漸進式改進而不是快速尋找一種解決方案以提高容量和功率密度的話, 那麼他們生產的電池可能更具可持續性.
