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如何构建蓄电池安全解决方案?

2018-08-20 11:49:46 中国储能网新闻中心

蓄电池使用不当或质量不佳时有时会着火或爆炸。而科学家和初创公司长期以来一直致力于打造更安全的电池。他们致力于开发和测试新材料,希望能够一劳永逸地解决问题。但是似乎每种方法都有难以解决的问题,而现在最实用的解决方案可能是技术最保守的解决方案。

改进电池的安全性能主要有三个步骤:电池的电解液避免使用易燃液体;电池组件必须防火;改善电池中的现有安全功能。而这些对于电池来说,其变化是缓慢的。

技术研究人员了解电池工作的基本知识以及电池故障的原因非常重要。很明显,人们谈论的大多是锂离子电池,这是最常见的电池类型,因为锂电池可以提供如此多的能量。科学家们也正在开发镁电池(它们放电很慢)和硫磺电池(不会持续很长时间),但锂离子电池目前仍然是市场的主流。

锂离子电池主要由两个电极或导电体组成,电解液中的锂离子从一侧移动到另一侧,电池中电解质却是高度易燃的化学物质。

电池爆炸或着火有几个不同的原因。最常见的是,过多热量或糟糕的电池设计会使电解质以一种产生热量的方式产生反应,这种“热失控”现象导致电池着火或爆炸。电池制造商通常在电池的两极之间放置隔板以防止它们接触。如果隔板出现故障,就会着火或爆炸,而这就是三星手机电池发生的情况

那么如何解决这个问题?
 

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如今,一个宣传解决方案是开发固态锂离子电池。这个想法很简单:不使用易燃的液体电解质,而是采用用固体材料制造电解质;固体锂离子电池不太可能爆炸或着火。但锂离子通过固体比通过液体更难,这意味着固态电池难以设计,而且价格昂贵,并且可能存在性能问题。

生产固态锂电池有三种主要材料。美国塔夫茨大学材料科学家、固体锂离子电池公司离子材料公司的创始人Michael Zimmerman解释说,可以采用陶瓷、玻璃或聚合物生产电解质。

陶瓷和玻璃具有脆弱的特性,一旦施加压力很容易破裂。Zimmerman说,陶瓷和玻璃也很难大量生产,因为人们需要大量的电池,这使得大量采用这些材料变得不切实际。另外,在生产这些材料的过程有时会释放出有毒气体。

还有一种材料就是聚合物。一些聚合物可以传导离子,但通常只能在极高的温度下工作。 Zimmerman的团队开发出一种聚合物,可以在室温下传导离子,但也具有阻燃性。在一段视频中,他们演示了如何在不着火的情况下将其切成碎片。

现在,Ionic Materials公司正在与电池制造商合作,他们需要改变生产制造电池的方式以适应新的聚合物。Zimmerman说,希望在未来两三年内可以推出这种电池。

两三年的时间听起来并不长,但对业界人士来说有些等不及。“有些厂商承诺固态锂离子电池将在未来两到三年内进入市场,而近年来投资者对固态锂电池的技术进展越来越不耐烦。”专门从事电池研究的研究机构Navigant Research公司分析师Ian McClenny说。

McClenny表示,一些电动汽车制造商都表示他们在固态锂离子电池技术方面取得了突破。

但McClenny认为,几乎所有的固态锂离子电池都没有实现商业化生产。

推动电池创新的主要驱动因素是电动汽车,而现在,大多数固态锂离子电池的工作可能会持续一年半。这对于手机来说可能是可以接受的,但对于昂贵的电动车来说这几乎是不可行的。

NOHM科技公司的首席技术官Surya Moganty表示,寻求更加安全电池的另一个策略是使电解质本身具有防火性,尽管其仍然是液体。他们用“离子固体”开发电解质,这种材料类似于盐,但在室温下是液体。

将这种材料制成电解质使它们具有阻燃性,但同样可能存在电池寿命问题。 NOHM公司正在改进配方,以便使用其技术的电池可以持续长达500个充放电周期,并且还与制造商合作以获得该技术的许可。一个类似的问题困扰着研究人员,他们去年开发了一种水基电池,这种电池很安全。其单体电压可以达到4伏,与有机电解质的电压相同,但充放电周期大约只有70个,正如Moganty指出的那样,电池生产商希望这种电池能够持续至少500个充放电周期。

Moganty说,在这些令人兴奋的技术中,似乎没有一种比较成熟可行的技术。

现在,最有效的策略可能不是来自重大技术改变或者重新发明新电池。而是对现有功能进行改善的电池。例如,已经包含电池管理系统的电池,该系统是一种可以监控电池运行情况的软件,可以检测电池是否出现问题。

McClenny说,“能够精确定位不符合标准的电池可以延长电池的使用寿命。”

这类似于总部位于圣地亚哥的电池安全商Amionx公司所采取的方法,Amionx公司从电池公司American Lithium Energy中分离出来的一家公司,其研究曾为美国军方生产防火电池。

该公司首席运营官Bill Davidson表示,他们的技术名为SafeCore,是电池安全的最后一道防线。 SafeCore技术不会更改电池本身的组件,它只是电池内部采用一层隔离材料,可以在着火之前进行阻断。当由过热或过高的电压触发时,这层隔离材料将会中断电池电极之间的连接,并调节通过电池的电流。

尽管电池爆炸事件备受瞩目,就像三星的Galaxy Note 7手机一样,但是从统计数据来看,如今的电池比过去更安全。

在安全性方面,最简单的解决方案不一定是技术,而是结构。技术专家表示,从理论上讲,锂离子电池已经达到了其最大电池寿命的90%,并且很多厂商致力于开发更快、更强大的电池。

McClenny表示,如果企业采用渐进式改进而不是快速寻找一种解决方案以提高容量和功率密度的话,那么他们生产的电池可能更具可持续性。




责任编辑: 江晓蓓

标签: 蓄电池

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