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2019年新能源汽車(chē)在我國(guó)的銷(xiāo)量剛剛超過(guò)120萬(wàn)輛，彼時(shí)滲透率不到5%。而到了2022年9月，新能源汽車(chē)單月銷(xiāo)量就達(dá)到70.8萬(wàn)輛，滲透率超過(guò)27%，新能源汽車(chē)行業(yè)在近幾年處于快速擴(kuò)張期。鋰電池作為新能源汽車(chē)成本占比最大的部件，隨著新能源汽車(chē)進(jìn)入尋常百姓家，行業(yè)也得以爆發(fā)式增長(zhǎng)。新能源汽車(chē)的續(xù)航、安全性、性?xún)r(jià)比不斷提升，使之得到越來(lái)越多消費(fèi)者的青睞，這背后離不開(kāi)鋰電池的提效降本。對(duì)鋰電池能量密度、成本、安全的追求是電池廠永恒的主題，而鋰電池屬于電化學(xué)體系，底層的材料創(chuàng)新帶來(lái)的性能提升和降本更為顯著。
一、可充電電池的對(duì)比
可充電電池常見(jiàn)的有三種：鉛酸電池、鎳鎘鎳氫電池、鋰離子電池。對(duì)比這三種電池，首先看電壓，明顯，鋰電池的電壓大于另外兩種，尤其在電動(dòng)車(chē)、電動(dòng)工具等需要高電壓的電池產(chǎn)品上，鋰電池就占優(yōu)了，起碼串并聯(lián)的電池不需要那么多。重量能量比就理解為單位重量的電池誰(shuí)更高，明顯鋰離子電池要比其他兩種高出幾倍，同體積情況下，鋰離子電池也高出將近十倍。放凈電到充滿電算是一個(gè)循環(huán)，鋰離子電池可以1000次以上也比其他電池高出兩倍。而且鋰離子電池沒(méi)有記憶效應(yīng)。鎳鎘電池卻有。記憶效應(yīng)指的是如果放電不放干凈，電池將會(huì)記住放電的量，等進(jìn)行充電時(shí)候，電池也不會(huì)充滿。這是一大缺點(diǎn)。自放電率鎳鎘電池更差，每月都會(huì)放出三分之一。從環(huán)保特性來(lái)看，鋰離子電池不含有對(duì)環(huán)境有污染的鉛、汞、鎘等金屬，而鉛酸電池、鎳鎘電池都有污染。
鋰離子電池獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，但為什么鋰離子電池現(xiàn)在并未取代其他電池呢？原因就在于后兩點(diǎn)——貴、不安全。
鋰電池的價(jià)格是鉛酸電池的三倍左右，特斯拉MODEL S的電池成本為35360美元，相比85070美元的售價(jià)，就電池成本占了車(chē)價(jià)的41.6%。要知道這35360美元可是特斯拉電池成本的采購(gòu)價(jià)，若拋開(kāi)MODEL S P85的銷(xiāo)售利潤(rùn)，那電池至少占MODEL S制造成本的50%以上，甚至更多。電池占MODEL S制造成本的50%以上。不過(guò)目前鋰電池行業(yè)里產(chǎn)品供不應(yīng)求，存在價(jià)格虛高的情況，國(guó)家也開(kāi)始出臺(tái)政策，相信電池價(jià)格降下來(lái)后，電池能源迭代會(huì)更快。
二、鋰電池的基礎(chǔ)知識(shí)
1.概念
鋰電池通常包括：金屬鋰電池（常見(jiàn)如紐扣鋰電池）和鋰離子電池（也就是大家通常所說(shuō)的鋰電池），金屬鋰電池是分解金屬形態(tài)的鋰，而且不可還原，所以他不是可充電電池，我們也不介紹他了。鋰離子電池包括液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池，液態(tài)鋰離子電池就是我們常見(jiàn)的18650那樣的電池，里面是液體的電解質(zhì)。而聚合物鋰電池是的電解質(zhì)是固體或者膠體形態(tài)。
因?yàn)榫酆衔镤囯x子電池采用的封裝材料基本為鋁塑膜（軟包），液態(tài)鋰離子電池采用的封裝材料為金屬鋼殼或鋁殼。所以目前市場(chǎng)存在一種誤解，軟包裝的鋰電池就是聚合物鋰電池，其實(shí)大部分國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的軟包電池依然是用的液態(tài)電解質(zhì)，并不屬于聚合物鋰電池，真正做聚合物鋰電池的廠家并不多。
2.鋰離子電池構(gòu)成
鋰離子電池以碳素材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極，沒(méi)有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱(chēng)。鋰離子電池的充放電過(guò)程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程中，同時(shí)伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌（習(xí)慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負(fù)極用插入或脫插表示）。在充放電過(guò)程中，鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱(chēng)為“搖椅電池”。
3.鋰離子電池結(jié)構(gòu)工作原理
充電過(guò)程：
一個(gè)電源給電池充電,此時(shí)正極上的電子e從通過(guò)外部電路跑到負(fù)極上,正鋰離子Li+從正極“跳進(jìn)”電解液里，“爬過(guò)”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達(dá)負(fù)極，與早就跑過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起。
電池放電過(guò)程：
負(fù)極上的電子不能從負(fù)極跑到正極，電池就不會(huì)放電。電子和Li+都是同時(shí)行動(dòng)的，方向相同但路不同，放電時(shí)，電子從負(fù)極經(jīng)過(guò)電子導(dǎo)體跑到正極，鋰離子Li+從負(fù)極“跳進(jìn)”電解液里，“爬過(guò)”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達(dá)正極，與早就跑過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起。
4.聚合物電芯與液體電芯對(duì)比：
(1) 無(wú)電池漏液?jiǎn)栴}，其電池內(nèi)部不含液態(tài)電解液，使用膠態(tài)的固體。聚合物電池外面采用一層鋁塑膜，外再包一層高溫膠布，聚合物鋰離子電池因?yàn)槭褂昧四z態(tài)電解質(zhì)，不會(huì)因?yàn)橐后w沸騰而產(chǎn)生大量氣體，從而杜絕了劇烈爆炸的可能。聚合物發(fā)現(xiàn)最大的安全性就是漏液，短路，導(dǎo)致漲包，最?lèi)毫拥那闆r就是產(chǎn)生燃燒，產(chǎn)生火苗，但不會(huì)爆炸。
(2) 可制成薄型電池：以3.6V400mAh的容量，其厚度可薄至0.5mm。電池可設(shè)計(jì)成多種形狀。由于聚合物電池可以任意大小，他沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)形狀，一般的標(biāo)示為長(zhǎng)*寬*厚。聚合物是隨著體積的大小而決定容量的大小
方型鋰離子電池芯：通常用六位數(shù)字表示，分別表示電池的厚度、寬度和高度，單位毫米，例如103450 即10(厚度) ×34(寬度) ×50(高度)mm。若厚度數(shù)值大于寬度數(shù)值，則厚度要*0.1，例如433861 即4.3（43*0.1）×38×61mm。
(3) 電池可彎曲變形：高分子電池最大可彎曲900左右。
(4) 容量將比同樣大小的鋰離子電池高出一倍。
(5) 一般的18650電池容量能做到2200mAh左右，這樣算下來(lái)能量密度大約在500Wh/L，而聚合物電池的能量密度現(xiàn)階段量產(chǎn)能夠接近600Wh/L。
(6) 18650電池是圓柱形的，內(nèi)部有液體，因?yàn)殡姵卦O(shè)計(jì)和材料原因，18650適合大電流，因此幾乎所有筆記本、電動(dòng)汽車(chē)都是用18650電池設(shè)計(jì)；數(shù)碼相機(jī)因?yàn)殚W光燈的充放電需要大電壓和瞬間大電流，所以只能用18650類(lèi)似的電池；聚合物鋰電池因?yàn)槭褂貌煌O(shè)計(jì)和材料，且大電流放電時(shí)性能不如18650的圓柱形電池，所以需要大容量小體積的用電設(shè)備，通常使用聚合物鋰電池，最典型的表現(xiàn)就是手機(jī)、平板電腦等設(shè)備。
(7) 價(jià)格更低 18650的國(guó)際價(jià)格大約在1USD/pcs，按照2Ah來(lái)計(jì)算的話大約合3RMB/Ah。而聚合物鋰電的價(jià)格，低端的山寨廠在4RMB/Ah，中端的在5~7RMB/Ah，中高端的在7RMB/Ah以上。像ATL、力神這種的，一般都能賣(mài)到10RMB/Ah左右，而且你單小了人家還不愿意接。
5.不同的鋰的復(fù)合材料，壽命也不同
錳酸鋰的300次左右、鈷酸鋰的500次左右、磷酸亞鐵鋰的2000次左右。鈷酸鋰(LCO)一直是高端移動(dòng)設(shè)備鋰電池的主流正極材料。受到蘋(píng)果IPhone和IPad的強(qiáng)勁需求拉動(dòng)，LCO的最近幾年的年產(chǎn)量一直穩(wěn)步增加仍然高居正極材料頭把交椅。而比亞迪電動(dòng)車(chē)使用的就是磷酸亞鐵鋰，誰(shuí)讓人家有錢(qián)呢。
三、鋰電池爆炸原因和應(yīng)對(duì)方法
所謂手機(jī)爆炸，只存在液體鋰離子電池里。
爆炸類(lèi)型分析電池芯爆炸的類(lèi)形可歸納為外部短路、內(nèi)部短路、及過(guò)充三種。
1.外部系指電芯的外部，包含了電池組內(nèi)部絕緣設(shè)計(jì)不良等所引起的短路。 當(dāng)電芯外部發(fā)生短路，電子組件又未能切斷回路時(shí)，電芯內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生高熱，造成部分電解液汽化，將電池外殼撐大。
2.內(nèi)部短路主要是因?yàn)殂~箔與鋁箔的毛刺穿破隔膜，或是鋰原子的樹(shù)枝狀結(jié)晶穿破膈膜所造成。由于過(guò)充，負(fù)極的儲(chǔ)存格已經(jīng)裝滿了鋰原子，后續(xù)的鋰金屬會(huì)堆積于負(fù)極材料表面。這些鋰原子會(huì)由負(fù)極表面往鋰離子來(lái)的方向長(zhǎng)出樹(shù)枝狀結(jié)晶。這些鋰金屬結(jié)晶會(huì)穿過(guò)隔膜紙，使正負(fù)極短路。有時(shí)在短路發(fā)生前電池就先爆炸，這是因?yàn)樵谶^(guò)充過(guò)程，電解液等材料會(huì)裂解產(chǎn)生氣體，使得電池外殼或壓力閥鼓漲破裂，讓氧氣進(jìn)去與堆積在負(fù)極表面的鋰原子反應(yīng)，進(jìn)而爆炸。
3.而當(dāng)鋰電池過(guò)充時(shí)，電池電壓隨極化增大而迅速上升，會(huì)引起正極活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)的不可逆變化及電解液的分解，產(chǎn)生大量氣體，放出大量的熱，使電池溫度和內(nèi)壓急劇增加，存在爆炸、燃燒等隱患。
鋰電池芯過(guò)充到電壓高于 4.2V 后，會(huì)開(kāi)始產(chǎn)生副作用。過(guò)充電壓愈高，危險(xiǎn)性也跟著愈高。鋰電芯電壓 高于 4.2V 后，正極材料內(nèi)剩下的鋰原子數(shù)量不到一半，此時(shí)儲(chǔ)存格常會(huì)垮掉， 讓電池容量產(chǎn)生永久性的下降。 因此，鋰電池充電時(shí)，一定要設(shè)定電壓上限，才可以同時(shí)兼顧到電池的壽命、容量、和安全性。最理想的充電電壓上限為 4.2V。
解決辦法：
1.防止電池燃燒的不燃性電解液。
有機(jī)磷酸酯具有高阻燃、對(duì)電解質(zhì)鹽較強(qiáng)溶解能力的特性。例如，DMMP(二甲氧基甲基磷酸酯)：低粘度(cP~1.75,25℃)，低熔點(diǎn)、高沸點(diǎn)(-50~181℃)，強(qiáng)阻燃(P-content：25%)，鋰鹽溶解度高。
不過(guò)，阻燃溶劑在應(yīng)用中存在下述問(wèn)題：與負(fù)極匹配性較差，電池充放電庫(kù)倫效率低。因此，需要尋找匹配的成膜添加劑。
2.高溫隔膜技術(shù)
電池內(nèi)會(huì)加上一種擁有眾多細(xì)孔的隔膜紙，來(lái)防止短路。好的隔膜紙當(dāng)電池內(nèi)部溫度高到135 攝氏度時(shí)還可以在電池溫度過(guò)高時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉細(xì)孔，讓鋰離子無(wú)法穿越，反應(yīng)終止或近乎終止，電流驟降，溫度也慢慢下降，進(jìn)而避免了爆炸發(fā)生。但是，細(xì)孔關(guān)閉率太差，或是細(xì)孔根本不會(huì)關(guān)閉的隔膜紙，會(huì)讓電池溫度繼續(xù)升高，更多的電解液汽化，最后將電池外殼撐破，甚至將電池溫度提高到使 料燃燒并爆炸。
目前使用的鋰電池隔膜一般都能提供一個(gè)附加功能，就是熱關(guān)閉。這一特性也為鋰電池的安全性能提供了額外的幫助。這是因?yàn)楦裟に镁巯N材料具有熱塑性，當(dāng)溫度接近材料熔點(diǎn)時(shí)，微孔閉合形成熱關(guān)閉，從而阻斷離子的繼續(xù)傳輸而形成短路，起到保護(hù)電池的作用。
3.防爆組合蓋帽結(jié)構(gòu)
由上蓋帽、PTC過(guò)流保護(hù)片、防爆半球面鋁膜、下底板組成的組合件。下底板與電池正極耳焊接連接，是正極片與外部連接的過(guò)渡，與防爆半球面鋁膜點(diǎn)焊連接。防爆半球面鋁膜有兩大功能，一是當(dāng)電池內(nèi)壓增大到一定值后，向內(nèi)凹曲面受力后變成向外凸出，使防爆半球面鋁膜與極耳的焊接點(diǎn)拉裂斷開(kāi)，電池與外界形成開(kāi)路，電池蓋帽的過(guò)充保護(hù)功能開(kāi)始作用；二是電池內(nèi)壓增大超過(guò)防爆鋁膜刻痕處受力極限時(shí)，防爆鋁膜破裂，電池開(kāi)啟，電池內(nèi)壓力從破裂處泄出。
4.電解質(zhì)中添加硝酸鋰、鋰聚硫
斯坦福大學(xué)的一組研究人員最近就發(fā)現(xiàn)了一種提升鋰電池安全性的方法。
為了避免下一代電池出現(xiàn)自燃，斯坦福的研究者找到了一種阻止樹(shù)突形成的方式。在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，他們?cè)谝幻都~扣電池的電解質(zhì)當(dāng)中添加了兩種化學(xué)物質(zhì)，分別是可提升續(xù)航的硝酸鋰，以及可分解鋰電極的鋰聚硫。在使用不同計(jì)量進(jìn)行測(cè)試之后，他們成功地讓生成的結(jié)晶呈現(xiàn)出無(wú)害的薄餅狀，而非危險(xiǎn)的樹(shù)突狀。
5.泄壓孔
因其具有防爆炸功能，電池界業(yè)內(nèi)人士也稱(chēng)為防爆孔或防爆線。原理十分簡(jiǎn)單，在殼體表面劃出一條比殼體表面厚度稍微薄一點(diǎn)的線或孔，當(dāng)電芯短路時(shí)，電池內(nèi)部短時(shí)間內(nèi)將產(chǎn)生大量氣體并迅速增大壓強(qiáng)，當(dāng)壓力過(guò)載時(shí)，因防爆孔薄于殼體其余地方，氣體便防爆孔處泄氣，從而達(dá)到避免電芯整體爆炸的危險(xiǎn)。所以它也只是個(gè)權(quán)宜之計(jì)。
目前來(lái)說(shuō)還沒(méi)有一各措施就可以妥善解決鋰離子電池爆炸的危險(xiǎn)，我們?cè)谑褂脮r(shí)候也盡量注意防范，不要邊充電邊玩手機(jī)，鼓包的電池不要再用等。
